Биохимия Р.Марри

равновесия или против него. В системе унипорта про­ исходит перенос молекулы одного типа в обоих на­ правлениях. В системах котранепорта перенос одно­

го растворенного вещества сопровождается перено­

сом (одновременным или последовательным) сте­

хиометрического количества другого. В случае сим­

порта оба вещества перемещаются в одном направ­ лении. Примерами таких систем являются перенос Н+jcaxapa и Na+jcaxapa (глюкоза, галактоза, ксило­

за и арабиноза) в бактериях и Na+ jаминокислот

в клетках млекопитающих. В случае антипорта ве­

щества переносятся в противоположных направле­

ниях (например, Na+ в клетку, а Са2 + из клетки). Молекулы, которые сами не могут пересекать ли­ пидный бислой, используют для этого белки­

переносчики, с которыми они связываются. Такое перемещение может происходить двумя способами:

путем облегченной диффузии или активного транс­

порта с помощью высокоспецифичных транспорт­

ных систем.

8 811

Унипорт Симпорт Антипорт

Котранепорт

Рис. 42.14. СхеМ.:l1ическое представление типов транспорт­

ных систем. Переносчики можно подразде.'1ИТЬ в соответ­

ствии с направлением перемещения вещества и степенью

разнообразия переНОСИМbJХ молекул. (Из книги Alberts В.

et al.: Molecular Biology of the се]]. Garland. 1983.)

Облегченная диффузия и активный транспорт во

многом сходны. Оба процесса, по-видимому, осу­ ществляются при участии специальных белков­ переносчиков и для обоих характерна специфичность к ионам, сахарам и аминокислотам. Об этом свиде­

тельствуют результаты анализа тех последствий,

к которым приводят мутации в бактериальных и жи­

вотных клетках (включая некоторые мутации, вызы­

вающие заболевания у чеЛОБеl\а). Облегченная диф­ фузия и активный транспорт напоминают реакцию между ферментом и субстратом, однако они осу­ ществляются без образования ковалентных связей. На это сходство указывают следующие моменты: 1) имеется специфический участок связывания для

растворенного вещества; 2) процесс переноса харак­

теризуется насыщением, т. е. существует некая мак­

симальная скорость транспорта Vтах (рис. 42.15); 3) процесс характеризуется определенной констан­

той связывания, так что система в целом имеет свою

КМ (рис. 42.15); 4) вещества, сходные по своей

структуре с переносимым соединением, являются

конкурентными ингибиторами и блокируют транс­

порт.

Основны.е различия между облегченной диффу­

зией и активным транспортом состоят в следующем:

1) облегченная диффузия может осуществляться

в обоих направлениях, тогда как активный транс­

порт- обычно лишь в одном; 2) активный транс­

порт всегда идет против электрического или химиче­

ского градиента и требует энергетических затрат.

А. Облегченная диффузия. Некоторые вещества диффундируют через мембраны по электрохимиче­

скому градиенту быстрее, чем можно ожидать ис­ ходя из их размеров, заряда или коэффициента рас­ пределения. Эта облегченная диффузия отличается

по своим свойствам от простой диффузии. Скорость облегченной диффузии, осуществляемой по унипорт-

ному механизму, выходит на плато. т. е. число участ­

ков связывания данного вещества ограничено. Мно­

гие системы облегченной диффузии стереоспецифич­

ны, но, как и в случае простой диффузиии, перенос осуществляется без энергетических затрат.

Как мы уже говорили, асимметричное распреде­ ление мембранных белков между внутренней и внеш­ ней сторонами мембраны достаточно стабильно,

спонтанное перемещение белков через мембрану

происходит исключительно редко, а, следовательно,

в основе облегченной диффузии, по-видимому, не может лежать трансмембранное перемещен.ие бел­

ков-переносчиков; исключение составляют ионофо­

ры, присутствуюшие в мембранах бактериальных

клеток.

переносчиком

КонцентраЦИА

Рис. 42.15. Сравнение кинетик опосредованной переносчи­ ком (облегченной) диффузии и простой диффузии. В по­

следнем случае скорость перемещения вещества прямо про­

порциональна его концентрации в растворе. тогда как при

наличии переносчmcа наблюдается насыщение. VтаА-

максимапьная скорость. Константа Км равна такой кон­

центрации вещества. при которой скорость составляет по-

ловину максимальной.

Процесс облегченной диффузии можно объяс­

ни:rь с помощью механизма «пинг-понг» (рис.

42.16). СOI"ласно этой модели, белок-переносчик

может находиться в двух основных конформациях.

В состоянии «понг» он экспонирован в раствор с вы­ сокой концентрацией вещества, и молекулы послед­

него могут связываться со специфическими участка­

ми. В результате конформаuионных изменений

в белке участки связывания вместе с переносимым веществом 1КСПОНИРУЮТСЯ в раствор с низкой его

концентрацией (состояние «пинп)). Этот процесс

полностью обратим, и суммарный поток вещества через мембрану определяется его концентрацион­ ным градиентом. Скорость, с которой растворенное

вещество поступает в клетку, зависит от следующих

факторов: 1) трансмембранного концентрационно­

го градиента; 2) количества переносчика (ключ к ре­ ГУЛЯЦIIИ)~ 3) быстроты связывания вещества с пере­ носчиком; 4) быстроты конформационных измене­

ний юн ружснного иненагруженного переносчика.

Гормоны регулируют облегченную диффузию, измеНSIЯ число доступных переносчиков. Инсулин

повышает интенсивность транспорта глюкозы в жи­

ровых и мышечных тканях, индуuируя поступление

новых переносчиков из некого внутриклеточного пу­

ла (см. рис. 51.13). Он также повышает транспорт

аминокислот в печень и другие ткани. Одним из мно­ жества скоординированных эффектов глюкокорти­

КОИДных гормонов является повышение транспорта

аминокислот в печень, где они служат субстрато!\.1 I"ЛЮКОIlеогенеза. Гормон роста усиливает транспорт

аминокислот во все клетки, а эстрогены стимули­

р)ют этот пронесс в матке. В животных клетках су­ ществуют по меньшей мере пять разных систем

переносчиков аминокислот. Каждая из них специ­ фична к определенной группе близкородственных

аминокисло r и может функционировать как система

симпорга с Na" (рис. 42.13).

Б. Активный транспорт. Процесс активного

транспорта отличается от диффузии тем, что он со­

провождается смещением состояния системы от тер­

модинамического равновесия и, следовательно, тре­

бует энергетических затрат. Источником энергии мо­

гут быть гидролиз АТР, процесс переноса электро­

нов или свет. Поддержание электрохимических гра­

диентов играет столь большую роль в биологиче­

ских системах, что на него затрачивается около 30-- 40% всей потребляемой клеткой энергии.

В основном в клетках поддерживается низкая

внутриклеточная концентрация Na i и высокая К+

(табл. 42.1) и вместе с тем-суммарный отрицатель­

ный электрический потенциал. Насосом. который

поддерживает эти градиенты, является АТРаза, ак­

тивируемая ионами Na + и К+ (рис. 42.17). Эта

АТРаза - интегральный белок, для своей активно-

Внутри

з Na+

АТР

з Na+

2 К+

Рис. 42.17. С'техиометрия Na +, к+-насоса. Насос перено­

сит три иона Na + из клетки и два иона К + в клетку на каж­

дую l\.fолеКУJ1У АТР, гидролизуемую до АОР мембраносвя­ занной АТРазоЙ. Уабаин и другие сердечные гликозиды

блокируют насос при введении их во внеклеточную среду.

(С любезнuго разрешения R. Post.)

сти она требует фосфолипидов. Каталитические цен­ тры АТРазы для АТР и Na + расположены на цито­

плазматической стороне мембраны, а центр связы­

вания К+ - на наружной. Уабаин ингибирует актив­ ность АТРазы, связываясь с ее внеклеточным фраг­ ментом. Это ингибирование может частично сни­ маться внеклеточным К+ .

Распространение нервного импульса

На мембранах, ограничивающих нервные клетки,

поддерживается разность электрических потенциа­

лов (трансмембранная разность электрических по­ тенциалов); эти мембраны электрически возбудимы.

При химической стимуляции, опосредуемой специ­

фическим синаптическим мембранным рецептором (см. разд. «Передача биохимических сигналов»),

происходит срабатывание воротных механизмов, и в клетку быстро начинают поступать Na + и Са2 + (при этом К+ может и не выходить из клетки), на­

пряжение на мембране резко падает, и соответ­

ствующий ее участок оказывается деполяризован­ ным, но в результате работы ионных насосов элек­ трохимический градиент быстро восстанавливается.

Когда таким образом деполяризуются большие участки мембраны, электрохимическое возмущение

распространяется вдоль мембраны подобно волне, порождая нервный импульс. Миелиновые оболочки,

образуемые шванновскими клетками, окутывают не­

рвные волокна и служат электрическим изолятором.

Этот изоляционный слой покрывает большинство

нервных волокон и сильно ускоряет распростране­

ние электрической волны (сигнала); при этом ионы

входят в клетку и выходят из нее только в тех ме­

стах, где изолятор отсутствует. Миелиновая мем­

брана состоит из фосфолипидов, В частности из сфингомиелина, холестерола, а также белков и гли­ косфинголипидов. С ней ассоциированы лишь не­

многие интегральные и периферические белки, кото­

рые, по-видимому, удерживают вместе многочи­

сленные мембранные бислои, образующие гидро­ фобную изолирующую структуру, непроницаемую

для ионов и воды. Некоторые заболевания, напри­ мер рассеянный склероз и синдром Гиллайна­ Барре, характеризуются демиелинизацией и наруше­

нием проведения нервного импульса.

Транспорт г.i1юкозы

На примере транспорта глюкозы мы сможем суммировать ряд ключевых положений, приведен­

ных в этой главе. Транспорт глюкозы в клетку-это первый этап утилизации энергии. Исключением из

общего правила является печень, в которой такой

специфический процесс обнаружен не был. В клетки печени глюкоза поступает путем простой диффузии

по концентрационному градиенту, который всегда

чрезвычайно велик из-за быстрого превращения вну­

три клетки глюкозы в глюкозо-6-фосфат. В другие

клетки (жировые и в еще большей степени мышеч­

ные) глюкоза поступает с помощью специфической транспортной системы, регуляция которой осу­

ществляется инсулином (см. рис. 51.13). Изменения транспорта обусловлены в основном изменением

V (преимущественно благодаря увеличению или

max

уменьшению числа переносчиков), но могут быть связаны и с вариациями км. Структура переносчика глюкозы эритроцитов была определена по последо­ вательности соответствующей кДНК (рис. 42.7).

Трансформированные с помощью кДНК клетки син­

тезируют этот белок и встраивают его в мембрану в функционально активном состоянии; дальнейшие

исследования с помощью направленного мутагене­

за, возможно, помогут выяснить, как функционирует

этот белок.

Рассматривая транспорт глюкозы, мы сталки­

ваемся с различными аспектами транспорта ве­

ществ, рассмотренными выше. Глюкоза и Na+

связываются с разными участками переносчика глю­

козы. При этом Na + поступает в клетку под дей­

ствием электрохимического градиента и «тащит»

глюкозу за собой (рис. 42.18). Таким образом. чем

круче градиент Na +, тем больше поступает глюкозы.

и, если концентрация Na+ во внеклеточной жидкости уменьшается, транспорт глюкозы подавляется. Что­

бы поддерживать необходимый для работы пе­ реносчика Na -t jглюкозы градиент Na + , используется Na + ,К+ -насос, поддерживающий низкую внутри-

Просвет

Глюкоза

(Симпортер)

Цитозоль

Глюкоза

Глюкоза

Внеклеточная жидкость

Рис. 42.18. Трансклеточное перемещение глюкозы через

клетку кишечника. Через эпителиальную мембрану с лю­ МИЮ:lЛьной стороны глюкоза проходит вслед за Na t . Гра­

диент Na +. являющийся движущей СИJ10Й 'Этого симпорта.

создается в процессе Na +, к + -обмена через базальную

мембрану. обращенную к внеклеточной жидкости. Глюко­

за. сконцентрированная в клетке, перемещается затем по

градиенту во внеклеточную жидкость с помощью об.'1егчен-

ной диффузии (по мехаНИ1МУ унипорта)

клеточную концентрацию Na+. Аналогичные меха­

низмы используются клетками для транспорта дру­

гих сахаров, а также аминокислот.

Трансклеточное перемещение сахаров включает один дополнительный компонент - унипортер, с по­

мощью которого глюкоза, поступившая в клетку

через одну ее поверхность, может выходить че­

рез другую; такой процесс наблюдается в клет­

ках почек и кишечника.

ТРАНСМЕМБРАННОЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ МАКРОМОЛЕКУЛ

ступает в клетку. Трансформацию обычно проводят в присутствии фосфата кальция, поскольку Са2 +

стимулирует эндоцитоз и осаждение ДИК, что облегчает ее проникновение в клетку с помощью эндоцитоза. Из клетки макромолекулы выходят пу­ тем экзоцитоза. Как при эндоцитозе, так и при экзо­ цитозе образуются везикулы, сливающиеся с плаз­

матической мембраной или отшнуровывающиеся от

нее.

ЭНДОЦИТОЗ

У всех эукариотических клеток часть плазматиче­

Через плазматическую мембрану транспортиру­ ются также макромолекулы. Процесс, с помощью ко­

торого клетки захватывают крупные молекулы, на­

зывается эндоцитозом. Некоторые из этих молекул

(например, полисахариды, белки и полинуклеотиды)

служат источником питательных веществ. Эндоци­

тоз позволяет также регулировать содержание опре­

деленных мембранных компонентов, в частности ре­

цепторов гормонов. Эндоцитоз можно использовать для более детального изучения клеточных функций.

Клетки одного типа можно трансформировать с по­

мощью ДИК другого типа и, таким образом, изме­ нить характер их функционирования или фенотип. В таких экспериментах часто используют специфиче­

ские гены, что предоставляет уникальную возмо­

жность изучать механизмы их регуляции. Трансфор­ мация клеток с помощью ДНК осуществляется пу­ тем эндоцитоза- именно таким способом ДНК по-

А

ской мембраны постоянно оказывается внутри цито­ плазмы. Это происходит в результате инвагинации

фрагмента плазматической мембраны, образования

эндоцитозной везикулы, замыкания шейки везикулы

и отшнуровывания ее в цитоплазму вместе с содер­

жимым (рис. 42.19). Впоследствии везикулы могут

сливаться с другими мембранными структурами и, таким образом, переносить свое содержимое в дру­ гие клеточные компартменты или даже обратно, во

внеклеточное пространство. Большинство эндоцито­

зных везикул сливаются с первичныии лизосомами

и образуют вторичные лизосомы, которые содержат

гидролитические ферменты и являются специализи­ рованными органеллами. Макромолекулы перева­

риваются в них до аминокислот, простых сахаров

инуклеотидов. которые диффундируют из везикул

иутилизуются в цитоплазме. Для эндоцитоза необ-

ходимы: 1) энергия, источником которой обычно служит АТР; 2) внеклеточный Са2 +; 3) сократитель­

ные элементы в клетке (вероятно, системы микрофи­

ламентов).

Эндоцитоз можно подразделить на два основных типа. ФагОЦИТОЗ осуществляется только с участием

специализированных клеток, таких, как макрофаги

и гранулоциты. При фагоцитозе происходит погло­

щение крупных частиц- вирусов, бактерий. клеток или их обломков. Макрофаги исключительно актив­

ны в этом отношении и могут включать в себя объ­ ем, составляющий 25% собственного объема, за 1 ч.

При этом происходит интернализация 3% их плаз­

матической мембраны каждую минугу, или целой

мембраны каждые 30 минут.

ПИIIOЦИТОЗ присущ всем клеткам. С его помощью

клетка поглощает жидкости и растворенные в ней

компоненты. Этот процесс также можно подразде­

лить на два типа. Жидкофазный пиноцитоз- это не­ избирательный процесс, при котором количество ра­

створенного вещества, поглощаемого в составе вези­

кул, просто пропорционально его концентрации во

внеклеточной жидкости. Такие везикулы образуются исключительно активно. Например, у фибробластов скорость интернализации плазматической мембра­

ны составляет 1/3 скорости, характерной для макро­ фагов. В этом случае мембрана расходуется быстрее,

чем синтезируется. В то же время площадь поверхно­

сти и объем клетки сильно не меняются, что указы­

вает на восстановление мембраны за счет экзоцитоза

или за счет повторного ее включения с той же скоро­ стью, с какой она расходуется.

Другой тип пиноцитоза, адсорбционный пиноци­ тоз, представляет собой селективный процесс, опос­ редуемый медиатором. Он ответствен в основном за

поглощение макромолекул, для которых на плазма­

тической мембране существуеl ограниченное число связывающих участков. Эти рецепторы, обладаю­ щие высоким сродством, выборочно концентрируют

лиганды из среды при минимуме поглощаемой жид­ кости и растворенных в ней несвязывающихся моле­

кул и заметно увеличивают .Jффективность посту­

пления специфических молекул в клетку. Везикулы, образующиеся при адсорбционном пиноцитозе,

образуются в месте инвагинаций (ямок), покрытых с цитоплазматической СТОРQНЫ волокнистым мате­

риалом. Обычно таким материалом является кла­ трин (вероятно, периферический мембранный белок).

Окаймленные ямки могут занимать до 2% поверхно­

сти некоторых клеток.

С помощью окаймленных ямок, в которых ра­

сполагаются соответствующие рецепторы, интерна­

лизуются, например, липопротеины низкой плотно­

сти (лип) и их рецепторы (см. гл. 26). Эндоцито­

зные везикулы. содержащие лнп и их рецепторы,

сливаются в клетке с лизосомами. Рецеп rоры осво­

бождаются и возвращаются на поверхность клеточ-

ной мембраны, а апопротеин лнп расщепляется и соответствующий эфир холестерола метаболизи­ руется. Синтез рецепторов ЛНП регулируется вто­

ричными или третичными продуктами пиноuитоза,

т. с. веществами. образующимися при метаболизме

лип. например холестеролом. Нарушения процес­ сов образования рецептора ЛНП и его интернализа­

ции имеют большое биомедиuинское значение

(гл. 26).

С помощью адсорбционного пиноцитоза проис­

ходит поглощение и других макромолекул, в том

числе некоторых гормонов. При этом образуются

рецептосомы - везикулы, которые не сливаются

с лизосомами и освобождают свое содержимое

в другие внутриклеточные компартменты, например

аппарат Гольджи.

Для осуществления адсорбционного пиноцитоза внеклеточных гликопротеинов необходимо, чтобы последние содержали специфический углеводный остаток, подлежащий распознаванию. Такие си­

гнальные остатки связываются с молекулами мем­

бранного рецептора, который выполняеr ту же функ­

цию, что и рецептор лнп. На поверхности гепато­

цитов находится галактозильный рецептор, с помо­ щью которого осуществляется адсорбuионный пи­ нощпоз сиалогликопротеинов. Кислая гидролаза, поглощаемая фибробластами посредством адсорб­

ционного пиноцитоза, распознается благодаря ман­ позо-6-фосфатному остатку. Интересно, что этот

остаток, по-видимому, ю'рает важную роль в целе­

вом перемещении гидролаз внутри клетки к лизосо­

мам (см. гл. 54).

Опосредованный рецепторами эндоцитоз имееr

свою тенев) ю сторону, поскольку вирусы, вызываю­

щие некоторые заболевания, например гепатит (по­

вреждение клеток печени), полиомиелит (поврежде­ ние моторных нейронов) и СПИД (повреждение T-К:Iеток), атакуют клетки именно по этому меха­

низму. Токсический эффект железа тоже начинает

ПРОЯВ:IЯТЬСЯ в результате его избыточного поглоще­ пия. обусловленного эндоцитозом.

Экзоцитоз

Большинство клеток высвобождают макромоле­

кулы во внешнюю среду путем экзоцитоза. Этот процесс играет роль и в обновлении мембраны. ког­

да ее компоненты, синтезированные в аппарате

Гольджи, доставляются в составе везикул к плазма­

тической мембране. Сигнал к началу эндоцитоза ча­

сто подается с помощью гормона, который, связы­ ваясь с рецептором на клеточной поверхности, инду­

цирует локальные и обратимые изменения концен­

трации Са2 +, которые инициируют эндоцитоз. На

рис. 4.20 схематически представлены процессы ЭКЗО­

и эндоuи[оза.

Вещества, высвобождаемые путем экзоцитоза,

можно разделить на три категории: 1) вещества.

связывающиеся с клеточной поверхностью и стано­ вящиеся периферическими белками, например анти­

гены; 2) вещества, включающиеся во внеклеточный

матрикс, например коллаген и глюкозаминоглика­

HЫ~ 3) вещества, выходящие во внеклеточную среду

ислужащие сигнальными молекулами для других

клеток. Инсулин, паратиреоидный гормон и катехо­

ламины упаковываются в гранулы и созревают вну­

три клетки, а затем при соответствующей стимуля­

ции высвобождаются наружу (гл. 47. 49 и 51).

ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ В КЛЕТКУ

мулирующие и ингибирующие компоненты. опосре­ дует ответ на многие гормоны; более подробно это описано в гл. 44.

В клетках млекопитающих недавно был обнару­

жен другой тип передачи сигнала. В этой сигнальной

системе роль второго посредника играет инозитол­

трифосфат (рис. 42.21); его внутриклеточная концен­

трация регулируется внеклеточными сигналами,

опосредованными трансмембранным рецептором.

На поверхности большинства клеток млекопитаю­ щих располагаются специфические рецепторы для целой группы белков- факторов роста, таких. как

инсулин, эпидермальный фактор роста и фактор ро­

ста, происходящий из тромбоцитов. При связывании соответствующей молекулы эффектора с рецепто­

Специфические соединения, играющие роль био­

химических сигналов,- нейромедиаторы, гормоны

ииммуноглобулины-связываются с особыми ре­

цепторами (интегральными белками), экспониро­

ванными с наружной стороны клеточной мембраны,

ипередают информацию через нее в цитоплазму.

Например, Р-адренергический рецептор. который стереоспецифически связывает катехоламины, ра­ сполагается на поверхности клеток-мишеней. Связы­

вание с ним катехоламинов стимулирует активность

аденилатциклазы, локализованной с внутренней сто­

роны мембраны и катализирующей образование сАМР из АТР (гл. 44). Таким образом. информация,

носителем которой во внеклеточной среде являлся

специфический катехоламин, оказывается перенесен­

ной внутрь, и ее последующую передачу осуществ­

ляет второй посредник, сАМР. Сопряженная с рецеп­

тором аденилатциклазная система, содержащая сти-

ром на цитоплазматической стороне мембраны сти­

мулируется киназная активность, присущая Иlпе­

гральному компоненту трансмембранной молекулы рецептора. Под действием этой активности проис­

ходит фосфорилирование фосфатидилинозитола до фосфатидилинозитол-4-фосфата. а последнего до фосфатиДИлинозитол-4,5-бисфосфата. Интересно,

что некоторые онкогены, экспрессия которых может

приводить к малигнизации клеток. также индуцируют

киназную активность, приводящую к образованию таких полифосфатидилинозитидов (гл. 57).

Другие рецепторы клеточной поверхности. на­

пример рецепторы для ацетилхолина, антидиурети­

ческого гормона и катехоламинов типа U 1, при

связывании с соответствующими лигандами могут

способствовать активации фосфолипазы С. Послед­

няя катализирует гидролиз фосфатидилинозитол-4 5-бисфосфата до инозитолтрифосфата и 1,2-

он он

диацилглицерола. Диацилглицерол способен акти­

вировать протеинкиназу С, активносгь которой за­

висит также от наличия в среде ионов Са2 +. С другой

стороны, инозитолтрифосфат приводит к эффектив­ ному высвобождению кальция из внутриклеточных

депо, например саркоплазматического ретикулума

и митохондриИ. Таким образом, гидролиз инозитол- 4, 5-бисфосфата приводит к активации протеинкина­ зы С и содействует увеличению концентрации ионов кальция в цитоплазме. Это активирует Na+, К 1--

насос, ведет к суммарной утечке протонов из клетки

исоответственно к увеличению внутриклеточного

рН. В результате происходит пролиферация клетки

и возникают другие специфические ответы. В этой

сигнальной системе третьими посредниками, по­

видимому, являются кальций и 1, 2-диацилглицерол. Интересно, что на процессы, протекающие в этой

сигнальной системе, влияют некоторые онкогепы.

Они опосредуют фосфатидилинозитолкиназную ак­

тивность, что приводит К накоплению полифосфати­

дилинозитидов, которые в свою очередь служат

предшественниками вторых и третьих посредников.

По-видимому, будут обнаружены и другие сложные

системы передачи информации в клетку. В гл. 44 об­

суждается роль трансмембранных сигнальных си­ стем в работе гормонов.

МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ КОНТАКТЫ

ИКОММУНИКАЦИИ

вмногоклеточном OpI анизме существует множе­

ство межклеточных контактов. Образование таких

контактов возможно лишь при непосредственном

взаимодействии плазматических мембран отдель­ ных клеток. Для межклеточных коммуникаций в кле­ точных мембранах формируются специализирован­

ные области. С помощью щелевых контактов регу­

лируется перенос ионов и малых молекул через узкие

гидрофильные поры, соединяющие цитоплазму со­

седних клеток. Эти поры формируются из субъеди­

ниц, и соответствующие структуры называются кон­

нексонами; их структура была исследована с по­

мощью рентгеновской кристаллографии..Согласно

схеме, представленной на рис. 42.22, коннексоны со­ стоят из шести белковых субъединиц, которые про­ низывают мембрану и связаны с аналогичными структурами соседней клетки. Каждая субъединица,

по-видимому, является достаточно жесткой структу­

рой, но в ответ на специфические химические сигна­ лы субъединицы меняют относительную ориента­ цию (ср. с поведением гемоглобина при окислении; рис. 6.12) таким образом, что образуется централь­ ная пора диаметром около 2 нм. По-видимому, че­

рез это центральное отверстие ионы и малые моле­

кулы и переходят из одной клетки в другую, и этот

процесс регулируем.

Рис. 42.22. Простая модель коннексона, иллюстрирующая переход из «ОТIФЫТОЙ» конфигурации в «закрытую». ПреJ(­ полагается. что отверстие со стороны цитоплазмы (вверху) закрывается при скольжении субъединиц относительно

друг друга; при лом уменьшаются их наклон и yrол пово­

рота относительно основания. Затемнены те области субъе­ диницы, которые погружены в мембрану. Радиальное сме­ щение каждой субъединицы на Цитоплазматической сторо­ не составляет 0,6 мм при изменении угла наклона на 5 при Д.lине субъединицы 7,5 нм. (Из работы Unwin Р. N.т..

Zampighi G.: Structure оГ the juпсtiоп betweel1 communicating celIs, Nature. 1980, 283, 545.)

ЛИТЕРАТУРА

В/оЬеl G. et а/. Translocation оГ proteins across membranes: The signal hypothesis and beyond, Symp. Soc. Ехр. Biol., 1979,33,9.

Dautry-Varsat А., Lodisll Н. F. How receptors bring proteins and particles into cells, Sci. Аm. (Мау), 1984, 250, 52.

Go/dstein J. et а/. Receptor-mediated endocytosis, Аппи. Rev. Сеll. Biol., 1985, 1. 1.

Hous/ay М. D., Stan/ey К. К. Dynamics оГ Biological Membranes, Wiley. 1982.

Mueck/er М. et а/. Sequence and structure оГ а human glucose transporter, Science, 1985, 229, 941.

Sabatini D. D. et а/. Mechanisms for the incorporation of proteins in membranes and organelles, J. Сеll. Biol., 1982.92,

1.

Singer S. J .. Nico/son G. L. The Пuid mosaic model of the structure of сеll membranes, Science, 1972, 175, 720.

Unи'in У., Hendersvn R. The structures ofproteins in biological membranes, Sci. дm. (Feb.), 1984, 250. 78.

Vance D. Е.. Vance J. Е. (eds.) Biochemistry of Lipids and Membranes, BenjaminjCummings, 1985.

Walter Р.. Gilmore R., В/оЬе/ G. Protein translocation across the епdорlаsmiс reticulum, Сеll, 1984. 38, 5.

Wickner W. Т.. Lodish Н. F. Multiple mechanisms of protein insertion into and across membranes, Science, 1985, 230, 400.

ВВЕДЕНИЕ

Цель этой главы-показать разнообразие меха­

низмов эндокринной системы и сформулировать не­

которые основополагающие концепции, к которым

мы обратимся в последующих главах.

БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

друга и перекрываются. Важную роль играет нерв­

ная регуляция эндокринной функиии; например,

постганглионарные клетки мозгового слоя надпо­

чечников вырабатывают и секретируют адреналин, в гипоталамусе синтезируется вазопрессин, который

транспортируется по аксонам в заднюю долю гипо­

физа и оттуда секретируется. Аналогично многие ней­

ромедиаторы (катехоламины, дофамин, ацетилхо­

лин и др.) сходны с гормонами по способу синтеза,

успехи в изучении эндокринной системы­

например, ответ на вопрос, почему некоторые желе­

зы располагаются рядом друг с другом, выяснение

того, как вырабатываются гормоны, разработка

представлений о клетках-мишенях, рецепторах, регу­

ляции по механизму обратной связи - имеют боль­ шое значение для медицины. В настоящее время уда­

лось точно установить причины некоторых эндо­

кринных заболеваний. В большинстве случаев- это дефект рецептора определенного гормона. В даль­

нейшем, несомненно, будут найдены и другие типы

нарушений.

высвобождения, транспорта и механизму действия.

Так, катехоламины служат нейромедиаторами в од­

ной ткани и гормонами в других. Другой пример взаимосвязи гормонов и нейромедиаторов: опреде­ ленные метаболиты стероидных гормонов надпочеч­ ников, как было недавно показано, подобно барби­ туратам, модулируют функцию рецепторов у­ аминомасляной кислоты (ГАМК) в головном мозге.

Наконец, многие гормоны-инсулин, АКТГ, ва­ зоактивный кишечный полипептид (ВКП), сомато­

статин, тиреотропин-рилизинг-гормон (ТРГ) и холе­

цистокинин- обнаружены в головном мозге. Оста­

ется неясным, синтезируются ли эти соединения в са­

ОБЩИЕ СВОЙСТВА

Характерная особенность многоклеточных­

наличие дифференцированных тканей. Последние

обладают специализированными функциями, обес­

печивающими выживание организма.

Для координации тканевых ответов на изменения

условий внешней и внутренней среды необходимы

механизмы межклеточной коммуникаиии. В ходе

эволюции сформировались две основные системы,

выполняющие эту функцию: Ilервная. которую обыч­

но рассматривают как систему проведения сигналов.

обладающую жесткой структурой, и эндокринная,

использующая в качестве мобильных посредников

разнообразные гормоны, которые секретируются спеиифическими железами и затем транспорти­

мом мозге и функционируют ли они там в качестве нейромодуляторов или медиаторов. Поскольку

в мозге обаружены специфические рецепторы мно­

гих из этих гормонов, вполне вероятно. что они воз­

действуют на эту ткань.

Слово «гормон» образовано от греческого «побу­ ждать к действию». Согласно классическому опреде­

лению, гормон - это вещество, которое синтезирует­ cя в одной ткани, транспортируется кровью и воз­

действует на другой орган. Однако это исходное

определение слишком узко; установлено, что гормо­

ны способны воздействовать на прилегающие клет­ ки данной ткани (паракринный эффект), а также на клетки, в которых они синтезируются (аутокринный эффект).

организму множество вариантов решения возникаю­

щих проблем. В этом разделе мы очень коротко об­

судим отдельные примеры, иллюстрирующие это

разнообразие.

Тканевое происхождение и локализация

)11 ГJ.ОКРИIШЫХ же.,"1ез

Большинство эндокринных желез развивается из эпителиальных клеток. Важные исключения из э roro праВИ_lа тестостерон-продуцирующие клетки Лей­

..'1ига в семенниках и эстрогеН-ПРОДУllирующие клет­

ки гранулезы яичников, имеющие соединительно­

тканное происхождение, а также секреторные клетки

неЙРОГИПОфИЗd (дифференцирующиеся из клеток не­

рвной ткани). Предполагается, что в эмбриогенезе

некоторые типы эндокринных клеток возникли из не­

PBHOI'O ("ребня (ганглионарной пластинки). Если ,.по так, то становится понятной связь ~ежду нервной и '1ндокринной системами. Ткань нервного гребня

може,' оказаться в любом органе. ВО1 почему неко­

торые 10РМОНЫ синтезируются в головном мозге

и тканях, образоваlllИХСЯ из передней и средней ки­

шки. Кроме того, Tro объясняет снндромы эктопиче­

ской IIРОlJ.УКЦИИ гормонов, т. е. продукцию гормонов «не той» тканью, например вырабо rKY паратиреоид­

ного гормона (ПТГ) и АКТГ злокачественными клетками в случtlЯХ рака Аегкого. Эги синдромы охватываю r обычно довольно ограниченное число пеПl идных гормонов, но большое разнообразие тка­ ней. Считается, что они обусловлены активацией

«молчащих» генов в той или иной клетке, однако,

возможно, что дело в активации «молчаших» кле­

ток, имеющихся в ткани и эмбриолOI ически род­

ственных клеткам эндокринной железы. Другой лю­ бопытный пример - это синдромы множественной JНДОКРIIННОЙ неоплазин (МЭН), дЛЯ которых харак­

терно семейное накопление. Для этих синдромов ха­ рактерна избыточная прод}кция пепгидных гормо­

нов .'lибо катехоламинов, причем нередко в одной ткани вырабатывается несколько гормонов одного

класса.

Распределение гормон-продуцирующих клеток не случайно: они присутствуют в разных тканях в си­

лу тех или иных спеllифических причин. Локс:шьное

поuышение концен грации отдельных горм.онов (по

сравнению с концентрацией в плазме крови) часго служит необходимым условием протекания специ­

фических процессов. Например, для протеКdНИЯ сперматогенеза необходим более высокий, чем

вплазме, уровень тестостерона; соответственно

K:Ie J"ки Лейдига, секретирующие тестостерон, и се­

мявыносящпе канальцы расположены рядом. Фор­ мирование желтого тела требует очень высокой кон­

центрации lС "pOl енов. и соответствешю оно окруж~­

но клетками гранулезы. Основное действие инсулина

и глюкагона - реГУЛЯI1ИЯ продукции глюкозы пече­

нью; соответственно существует тесная связь между

островками поджедудочной железы и воротной цир­ куляцией печени. В мозговом слое надпочечников ВЫСОl\.ие концентрации кортизола обеспечивают ин­

дукцию фенилэтаноламин-N-метилтрансферазы

(фер~ента, определяющего скорость биосинтеза ка­

техоламинов); в ·пу ткань кортизол попадает по со­ судам воротной системы. идущим от коры надпочеч­

ников. Существует теСНtlЯ анатомическая связь ме­ жду гипоталамусом и передней долей гипофиза, бла­ годаря чему крайне лабильные рилизинг-гормоны

гипоталамуса быстро достигают своей мишени­ гипофиза: они транспортируются кровью по еще од­

ной специальной воротной системе. Наконец, совер­

шенно уникальные анатомические отношения сло­

жились между различными клетками панкреатиче­

ских островков, благодаря которым клетки регули­

руют секреторную активность дру' ДРУI а посред­

ством изменения локальных градиентов концентра­

ций соматостапша, панкреатического полипептида,

глюкагона и инсулина.

Биосин rез и превращения гормонов

Как химическая природа активных гормонов, так и механизмы их биосинтеза и постсинтетических превращений очень разнообразны. Гормоны обра­

зуются из липидных предшественников в результате

модификации аминокислоты тирозина либо путем

белкового синтеза (простые и сложные пептиды

и углевод-содержащие гликопротеины).

Некоторые гормоны синтезируются и секрети­

руются сразу в своей конечной форме~ прlL\1еры то­

му альдостерон, 1 идрокортизон. трииодтиронин (Тз).

)страдиол, катехоламины. Другие гормоны - перед

секрецией или для приобретения полной БИОЛОПiче­

ской активности - должны подвергнуться внутри

клетки модификации. Например, инсулин синтези­ руется в виде проинсулина- типичного бслка­

предшественника, а у паратиреоиднOl'О гормона

(ПТГ; паратгормон) есть по крайней мере два пеПl и­

да-предшественника, содержащие препро­

последовательности, отщепление КО10РЫХ необходи­ мо для проявления полной биологической активно­

сти. Описание белков-предшественников, их син геза

и превращения в конечный продукт (внутриклеточ­

ный пропессинг) содержится в гл. 42. Упомянем бо­

лее сложный случай: про-опиомеланокортин

(ПОМК)- пептид, состоящий из 285 аминокис­

лотных остатков, продукт одного гена; при его рас­

щеплении образуются АКТГ, Р-липотропин, р-эн­ дорфин. а-МСГ и ~-MCГ, и не исключено, что

предшественник ПОМК содержит последователь­ ности, предс гавляющие собой ~ще не идентифиuи­ рованные пептидные гормоны. ПроцеССИIIГ моле-

кулы-предшественника имеет тканевую специфич­ ность (см. гл. 45).

Вероятно, наиболее яркий пример несоразмерно

большого предшественника-тиреоглобулин. Этот крупный белок (мол. масса 660000) присутствует в просвете фолликулов щитовидной железы. Он со­ держит 5000 аминокислотных остатков, в том числе 120 остатков тирозина, из них только часть подвер­

гается иодированию в ходе синтеза тиреоидных

гормонов (см. гл. 46). В конечном итоге вся молеку­

ла тиреоглобулина подвергается расщеплению, что­

бы высвободить лишь несколько молекул Т3 И те­

траиодтиронина (Т4).

В периферических тканях некоторые гормоны пре­

вращаются в более активные соединения. Это может

происходить в тканях-мишенях, например Т4 прев­

ращается в T~ в печени и гипофизе, а тестостерон

вдигидротестостерон - в андроген-чувствитель­

ных тканях. Периферическое превращение может

иметь место и в тканях, не являющихся мишенями.

Так, дигидроэпиандростерон синтезируется в надпо­

чечниках, а превращается в андростендион в печени;

этот последний превращается в тестостерон либо

в эстрон или эстрадиол в клетках жировой ткани, пе­

чени и кожи. Возможно комбинированное превраще­

ние неактивного соединения в активный гормон

впериферических тканях-мишенях и не-мишенях.

Пример тому-превращение витамина 0з (из кожи)

в25-гидроксикальциферол в печени с последующим

образованием из него 1.25-дигидроксихолекаль­ циферола в почках (гл. 47). Гормоны, секрети­

руемые различными тканяr-.ш и проявляющие раз­

ную клеточную специфичность. могут обладать

структурным сходством. Так, гликопротеиновые

гормоны гипофиза и плаценты (ТСГ, ЛГ, ФСГ и ХГЧ) являются гетеродимерами, состояшими из

а- И Р-субъединиц, и их u-субъединицы идентичны.

КОНЦЕПЦИЯ ЖЕЛЕЗЪI-МИШЕНИ

В организме человека имеется около 200 типов дифференцированных клеток. Лишь немногие из них продуцируют гормоны. но все 75 триллионов кле­

ток, содержащихся в организме человека, служат ми­

шенями одного или нескольких из 50 известных гор­

монов. Мишенью гормона может быть одна ткань

или же несколько тканей. В соответствии с классиче­

ским определением ткань-мишень - это такая

ткань, в которой гормон вызывает специфическую

биохимическую или физиологическую реакuию. На­ пример, щитовидная железа- специфическая желе­ за-мишень дЛЯ ТСГ; под действием ТСГ увеличивает­

ся количество и размеры ацинарных клеток щито­

видной железы, повышается скорость протекания

всех этапов биосинтеза тиреоидных гормонов.

В противоположность этому инсулин воздействует

на многие ткани: в мышцах он повышает потребле­

ние глюкозы и ее окисление, в жировой ткапи­

липогенез, в печени и лимфоцитах-транспорт ами­

нокислот, в печени и мышцах - синтез белка и так далее. В последующем с описанием специфики кле­ точной поверхности и внутриклеточных рецепторов понятие «ткань-мишень» было распространено на все ткани, в которых данный гормон связывается со

своим рецептором, независимо от того, выявлен или

не выявлен классический биохимический И_1И физио­

логический тканевой ответ на действие гормона (на­

пример. связывание инсулина с эндотелиальными

клетками). Это определение тоже неДОС'rаточно, но

оно полезно. поскольку подразумевает, что какие-то

Jффекты гормонов остаются неизвестными. Общую реакцию ткани-мишени на действие гор­

мона определяет целый ряд факторов. Прежде всего

1ТО локальная конuентрация гормона вблизи ткани­

мишени, зависящая от 1) скорости синтеза и секре­ ции гормона; 2) анатомической близости ткани­ мишени к источнику гормона; 3) констант ассоциа­

ции и диссоциации гормона со специфическим бел­

ком-переносчиком в плазме крови. если таковой су­

ществует; 4) скорости превращения неактивной или

малоактивной формы гормона в активную; 5) скоро­

сти исчезновения (клиренса) гормона из крови в ре­

зультате распада или выведения. осуществляемых

в первую очередь печенью и почками. Собственно

тканевой ответ определяется 1) относительной актив­

ностью и (или) степенью занятости специфических

рецепторов гормона на плазматической мембране или внутри клетки в цитоплазме или ядре; 2) состоя­

нием сенситизации - десеllситизации клетки. завися­

щим от пострецепторных механизмов. Изменение любого из этих параметров может отразиться на

действии гормона на данную ткань-мишень, и это

необходимо учитывать при рассмотрении классиче­

ских представлений о гормональной регуляции по

механизму обратной связи.

КОНЦЕПЦИЯ РЕГУЛЯТОРНОГО

МЕХАНИЗМА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

В поддержании физиологического уровня гормо­

нов в крови участвует целый ряд механизмов го­

меостаза, обеспечивающих точный обмен сигналами

между гормон-секретирующей железой и тканью­

мишенью, причем нередко это осуществляется при

посредничестве одной или нескольких других эндо­

кринных желез. Наиболее часто встречается меха­

низм регуляции, основанный на отрицательной обратной связи. В особенности это свойственно си­

и один из примеров приведен на рис. 43.1. Как видно из рисунка, рилизинг-гормон гипоталамуса (либе­ рин) стимулирует синтез и высвобождение гормона