Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Сохранение постоянства внутренней среды в организме человека не может поддерживаться самопроизвольно. В эволюции выработаны системы, сохраняющие физико-химические параметры организма в пределах оптимальных для его существования констант. Консерватизм метаболизма является одним из необходимых свойств здорового организма. Но только одним. В условиях меняющихся средовых воздействий на организм требуется другая составляющая жизни – наличие механизмов обеспечивающих адаптацию, приспособление его к новым условиям существования. И, наконец, в ряде случаев, внешние воздействия могут существенно превысить адаптационные возможности организма. В этом случае развивается патологический процесс (болезнь). С медицинской точки зрения понимание трёх вышеперечисленных свойств живого (сохранение постоянства внутренней среды, его адаптацию и патологию) возможно только на основе знания биологических систем лежащих в их основе. К таким системам относятся, прежде всего потоки информации, энергии и веществ.
Вышесказанное определило направленность в изложении нашего материала – потоки энергии, веществ и особенно информации рассматриваются с позиций ух участия в сохранении здоровья, в условиях адаптации и патологии.
2. Организация потоков информации в живых системах.
Самое простое определение термина информация – это сообщение (сигнал) переданный каким либо путём от одного объекта к другому. Передача информации может осуществляться различными путями – электромагнитными волнами (свет и др.), потоком электронов (азбука Морзе) и др. В живых системах информация чаще всего передаётся физико-химическим путём, а её носителями являются активные химические соединения, имеющие общее название – биологически активные вещества (БАВ). При передаче сигнала от одной структуры к другой выстраивается целая цепочка последовательных передатчиков, которые в совокупности можно определить как система передачи информации. Не без основания считается, что поток информации живых организмах состоит из множества передающих систем, которые располагаются в различных отделах клетки и организма. Они, как правило, представлены различными носителями, существующими как отдельно друг от друга, так и взаимодействующими друг с другом.
В настоящее время известно большое количество потоков информации, которые классифицируются различными способами. Мы рассмотрим только два варианта:
1. Потоки информации внутри клеток.
2. Потоки информации между клетками (органов и тканей).
В каждой группе, в свою очередь, имеется несколько ПИ. Мы рассмотрим только те, которые наиболее изучены и имеют существенное значение для теории и практики медицины.
К первой группе относятся.
Ко второй группе относятся.
2.1. Передача информации внутри клетки.
Внутри клетки передача информации организована в сигнал-трансдукторные и транскрипционно-трансляционные системы. В клетке эти системы располагаются таким образом, что полностью охватывают практически весь клеточный объём – плазматическую мембрану, цитоплазму, органоиды и ядро. Однако каждая из них имеет собственный сектор работы, собственное субстратное и энергетическое обеспечение, различную скорость и конечные эффекты. Эти системы передают информацию о внешних (внеклеточных) или внутренних (внутриклеточных) событиях и настраивают метаболизм клетки на режим адекватный этой информации. Изменяются параметры (химические или физические) внешней или внутренней среды, меняются и характер информационных потоков, сразу же вслед за этим качественно и количественно меняется клеточный метаболизм. Клетка переходит на новый режим жизнедеятельности. Такая пластичность клетки, помогает ей находится в наиболее благоприятном стационарном состоянии, выживать в различных, подчас экстремальных условиях. Последнее, особенно интересует медиков, т.к. многочисленные исследования показали, что патологический процесс, в определённой степени, является своеобразной реакцией на необычную (в количественном или качественном плане) информацию. Всё сказанное позволяет чётко определить три стороны деятельности потоков информации: - они или поддерживают нормальное состояние клетки или являются участниками развивающего патологического процесса или корректируют возникшие сбои метаболизма. Изучение последних привело к разработке эффективных подходов к лечению ряда тяжёлых заболеваний. Вот так общебиологические закономерности вначале становятся объектом изучения фундаментальной медицины, а затем определяют тактику в повседневной деятельности врача.
1.1.1. Транскрипционно-трансляционная система или экспрессия гена
Эта многокомпонентная система обеспечивает передачу наследственной информации из ядра в цитоплазму.
Начинается этот поток информации с биологически активного вещества (БАВ) – первичного сигнала. Это вещество несёт информацию, закодированную в его химической структуре. БАВ, имеющие различное молекулярное строение, несут и различную информацию. Первичный сигнал может нести информацию в клетку из внешней, окружающей человека среды, из внутренней среды организмы или из самой клетки о состояние её обменных процессов. Однако сам по себе первичный сигнал не способен перестроить множество её биохимических реакций на соответствующий режим работы. Этим занимаются специально сформированные в эволюции транскрипционно-трансляционные системы (ТТС). В сущности, функция первичного сигнала чрезвычайно проста – он изменяет активность соответствующей ТТС. Первым звеном ТТС на которое действует первичный сигнал является ген. Первичный сигнал изменяет его активность, что в свою очередь меняет активность всей последующей цепочки ТТС, которые связывают ген с его конечным продуктом – белком. Последний специфично влияет на метаболизм клетки, формируя определённый клеточный ответ. Таким образом первичным звеном ТТС является ген, а конечным – белок-фермент . Часто говорят, что метаболизм клетки находится под контролем генов. Это действительно так. В ядро функционирующей клетки постоянно поступают первичные сигналы из множества источников. Этот поток влияет на активность самых различных генов и связанных с ними ТТС и белков-ферментов. В такой ситуации метаболизм клетки всегда находится в динамическом равновесии. Нет первичного сигнала – не функционирует ген и соответствующая ТТС. Слаб первичный сигнал – в такой же мере меняется интенсивность метаболизма. Безусловно, изложенная схема функционирования ТТС слишком проста и даёт только общее представление о её деятельности. В действительности всё обстоит намного сложнее. Дальше мы покажем это на ряде примеров. Начнём с рисунка 1 , где схематично изложена работа ТТС.
Прежде всего, сделаем одно важное уточнение: первичный сигнал чаше всего воздействует не на сам ген, а на области генома, которые обслуживают данный ген – это области называются регуляторные зоны или гены регуляторы (мы их рассмотрим дальше). Часто эти зоны объединяют понятием – ядерный рецептор. Химическая реакция между БАВ и ядерным рецептором приводит к своеобразной цепной реакции, конечным результатом которой является изменение активности гена – ген может потерять активность или наоборот приобрести её. Об активности гена обычно судят по интенсивности транскрипции – синтезе на гене какой-либо РНК (тРНК, рРНК, иРНК или регуляторных РНК). Транскрибированная на гене РНК носит название транскрипт. Ген активен – значит, на нём формируется какой либо транскрипт, какая либо РНК, не активен – синтез РНК прекращён. В свою очередь только что синтезированные РНК чаще всего бывают не активными, не зрелыми, поэтому их ещё называют про-РНК (предшественники РНК и записывают так – про- иРНК, про-тРНК , про-рРНК и т.д.). На рисунке 2 в качестве транскрипта представлена про- иРНК. Для её активации (или, как чаще говорят, «для её созревания») в ядре имеется целый ряд механизмов, которые изменяют химическую и пространственную структуру про-РНК. Совокупность этих процессов носит название – процессинг. Процессинг происходит в ядре и по его завершению не активная про-РНК превращается в активную РНК. В таком виде она выходит через ядерные поры в цитоплазму и в комплексе с рибосомами и целым рядом других веществ (например, АТФ) осуществляет трансляцию. В результате происходит синтез полипептидной цепочки, которая, как правило, так же не активна. Для её активации и превращения в полноценный, функционирующий белок необходим процесс, который носит название фолдинг . Он происходит в цитоплазме и заключается в формировании у полипептидной цепочки вторичной, третичной и четвертичной структуры. Только после этого белок способен выполнять свои функции и становится полноправным участником клеточного метаболизма.
Рис. 1. Схема транскрипционно-трансляционного пути переноса информации в клетке.
В заключении ещё раз подчеркнём, что изложенная выше система (поток) передачи информации носит название ТТС или экспрессия гена. В ней различают два компонента: структуры (молекулы и органоиды) – носители информации и механизмы – совокупность процессов обеспечивающих перенос информации с одного носителя на другой. К обслуживающим структурам относятся: ядерный рецептор (регуляторная зона) – ген (структурный ген) – про-иРНК – иРНК – рибосома – полипептид – полноценный белок. К процессам относятся: регуляция активности гена - транскрипция гена – процессинг РНК – трансляция – фолдинг белка – изменение метаболизма клетки. Здесь уместно подчеркнуть, что не все учёные включают в экспрессию генов регуляцию активности гена, фолдинг и изменение метаболизма.
В медицинском аспекте функционирование ТТС в организме человека можно рассматривать с двух позиций. Во-первых, эта система принимает активное участие в поддержании постоянства внутренней среды организма путём регуляции соответствующих метаболических процессов. И, во вторых, повреждения любых звеньев этой системы может быть причиной развития патологии. Поясним это на примере потока информации ( или ТТС, что практически одно и тоже), который индуцируется (запускается) тироксином, т.е. в качестве первичного сигнала выступает тироксин. В этом случае принято говорить:- «тироксин-индуцированный поток информации».
Этот гормон регулирует интенсивность протекания всех биохимических реакций покоящегося организма, т.е. регулирует основной обмен.
Гормон тироксин образуется в клетках щитовидной железы, оттуда попадает в кровь и разносится по всему организму. Из крови он проникает через плазматическую, а затем и ядерную мембрану в ядро, практически всех клеток организма (см. рис. 2). В ядре гормон взаимодействует с несколькими ядерными рецепторами, которые регулируют работу нескольких генов. Последние публикации свидетельствуют, что тироксин активирует не менее 100 структурных генов кодирующих различные в функциональном отношении белки. После транскрипции генов и процессинга зрелые иРНК выходят в цитоплазму. На рибосомах с их участием осуществляется синтез множества различных белков, которые обслуживают многочисленные биохимические звенья метаболизма – например, несколько ферментов отвечают за такие клеточные процессы как расщепление углеводов, жиров, аминокислот, работу комплекса Na,K-ATФазы, интенсивность переноса электронов по молекулярной цепочки в митохондриях и т.д. В совокупности все эти процессы определяют энергетический потенциал клетки.
При гиперфункции щитовидной железы (например, при развитие доброкачественной опухоли, болезни Базедова), содержание гормона тироксина в крови повышается, это приводит к усилению транслокации гормона в клетки и соответственно повышается уровень транскрипции заинтересованных генов. Синтез ферментов энергетического обмена повышается. Это усиливает работу всех указанных на рисунке процессов метаболизма (Na, K АТФазы, цепи переноса электронов, расщепление жиров и т.д.). Такой сценарий развивается одномоментно во многих клетках организма, что приводит к тотальному повышению энергетического обмена. У больных возникает соответствующая симптоматика: - излишняя потливость (усиленная теплоотдача), повышенная температура тела, похудание (расщепление жира), высокая возбудимость и др. А если учесть, что избыток тироксина приводит к повышению экспрессии около 100 генов, выполняющих в клетке различные функции, то понятно, что симптомы заболевания не будут ограничиваться теми, которые связаны только с клеточной энергетикой.
С другой стороны, даже на далеко не полной схеме, представленной на рисунке 2, видно, насколько многочисленны этапы и участники потока информации запускаемого тироксином. Повреждения возможны в различных участках этой цепочки – на уровне
ядерного рецептора, генов, процессинга, трансляции и т.д. Понятно, что это может стать причиной нарушения нормальной работы ТТС и, в конечном итоге, повлиять на
Рис. 2. Транскрипционно-трансляционный поток информации, активированный тироксином.
характер ответной реакции организма. Если эти повреждения не будут компенсированы защитными системами организма, то с течением времени они могут стать основой для развития целого ряда патологических процессов уже связанных с недостаточным энергетическим обеспечением метаболических процессов.
1.1.2. Сигнал-трансдукторные системы (СТС).
Рассматривая предыдущую систему переноса информации мы сознательно не включили в эту схему один из важных этапов, который предваряет ТТС – транслокацию (перенос, переход, перемещение) первичного сигнала в клетку и перенос его информации на ядерный рецептор. Этот этап не входит в систему ТТС, а представляет самостоятельно существующий поток с собственными механизмами и структурами. Сразу же отметим, что это звено является чрезвычайно важным элементом в механизме действия лекарственных препаратов. Возникновение заболевания, его развитие и прогноз в значительной степени определяется характером функционирования именно этого сектора внутриклеточного потока информации.
В качестве первичного сигнала (посредника, мессенджера) на этом уровне выступают гормоны, нейромедиаторы, биогенные амины, специализированные активные белки и другие соединения, играющие важную роль в поддержании различных биохимических параметров организма в пределах физиологической нормы. Эти сигнальные молекулы несут информацию о состоянии внутренней среды организма и внешней. Логически рассуждая можно предположить, что поскольку все перечисленные сигнальные молекулы имеют различную химическую структуру, то каждый из них должен иметь свой собственный канал переноса информации. Понятно, что в этом случае, число потоков информации было бы бесчисленное множество. Однако эволюция пошла по другому пути – было создано ограниченное число каналов. Добиться оттого удалось необычным способом:- в сигнальных молекулах различной химической структуры имеются одинаковые функциональные участки (центры, домены). В результате многочисленные сигнальные молекулы объединяются по схожести центров в несколько групп. Каждая группа имеет свой собственный канал, через который осуществляется поток информацию. Мы не будем останавливаться на описании структуры и механизма действия всех известных в настоящее время потоков. Приведём только один принцип, который лёг в основу подразделения всех потоков на два типа, различающихся по механизму действия: - способность растворяться в воде и жирах. В зависимости от этого различают два основных механизма трансдукции (перехода) первичного сигнала в клетку – гидрофобные сигнальные молекулы проникают через плазматическую мембрану в цитоплазму клетки и затем в ядро без изменений. Таковым сигналом является тироксин (см. выше). Гидрофильные не проникают через плазматическую мембрану, а активируют в мембране процессы, которые приводят к образованию второй сигнальной молекулу (в химическом отношении совершенно не похожей на первичную), которая попадает в цитоплазму и включает каскад вполне определённых реакций формирующих конечный клеточный ответ.
На рисунке 3 в качестве первичного сигнала показано действие двух БАВ, относящихся к группе гормонов – один из них жирорастворим ( например из класса стероидов) - гормон А . Другой гормон - гормон С, относится к белкам, водорастворим и может представлять гормон роста и некоторые другие водорастворимые гормоны.
1.1.2.1. СТС, при которой первичный сигнал проникает через плазматическую мембрану.
Логику представленной на рисунке 3 схемы можно понять без особого труда если знать два определяющих момента . Во первых жирорастворимые соединения (гормон А) хорошо проходят через липидный бислой мембраны, поэтому они
Рис. 3. Схема действия водорастворимых и жирорастворимых гормонов.
достаточно быстро проникают через плазматическую мембрану. Однако, попав в цитозоль, они оказываются в водной фазе, в которой не растворимы. Это сразу же отрицательно сказывается на их дальнейшей судьбе и, в частности, на транслокацию в ядро. Уместно заметить, что аналогичная ситуация с жирорастворимыми соединениями складывается во многих местах организма при их переходе в водную фазу. Например, при попадании в лимфу или кровь, где их гидрофобность служит серьёзным препятствием для быстрого распределения по организму. В эволюции был найден выход из этой, казалось бы тупиковой ситуации: - попав в водную фазу (кровь, лимфу, цитозоль и др.) жиры сразу же взаимодействуют с находящимися в крови и лимфе специальными белками-переносчиками (их ещё называют рецепторами). Образовавшиеся липопротеины, хорошо растворимы и без труда транспортируются жидкими средами в различные участки организма. В нашем случае, попавший в цитозоль жирорастворимый гормон, также соединяется с белком-переносчиком (его часто называют цитоплазматический рецептор) и в таком виде транспортируется по цитоплазме. Проникая через ядерные поры в ядро, гормон взаимодействует с ядерным рецептором, после чего происходит активация соответствующего гена и ТТС.
Такой механизм характерен для действия жирорастворимых гормонов щитовидной железы –например, тироксина, а так же для половых гормонов - эстрогенов.
Ещё раз подчеркнём, что практически все жирорастворимые соединения находятся в водной фазе нашего организма (кровь, лимфа, межклеточное пространство) в соединении с белками-переносчиками, которые способствуют их распространению в организме. Понятно, что если происходит повреждение какого-либо звена в экспрессии гена(или системы ТТС отвечающего за формирование белка-переносчика), то жирорастворимое соединение будет выключено из клеточного метаболизма. Недостаток метаболита может привести к развитию определённого патологического процесса.
1.1.2.2. СТС, при которой первичный сигнал не проникает через плазматическую мембрану. цАМФ-зависимая система переноса информации.
По иному действуют водорастворимые БАВ. Покажем это на примере гипотетического гормона С (рис. 3), который относится к группе водорастворимых гормонов. Поскольку этот гормон не растворим в жирах, он не способен пройти внутрь клетки через липидный бислой плазматической мембраны. Подойдя к клеточной оболочки гормон взаимодействует с рецепторами расположенными на внешней стороне мембраны. Такое взаимодействие активирует целый ряд биохимических процессов, которые на конечном этапе приводят к образованию специфических соединений. Эти соединения попадают в цитоплазму. Подчеркнём, что сам гормон в цитоплазму не проникает. Образовавшиеся соединения носят название вторичные (вторые) посредники, вторичные мессенджеры или вторичные сигнальные вещества. В процессе эволюции создано ограниченное число таких молекул. В настоящее время полностью обосновано существование около 10 вторичных посредников. Ещё несколько соединений находятся на стадии изучения. Вторичные посредники, не являясь белками, запускают в цитоплазме клетки целый ряд реакций, которые заканчиваются формированием активного специфического белка . Проходя через ядерные поры этот белок активирует ядерный рецептор и соответственно определённую системы ТТС. Таким характером действия обладают водорастворимые БАВ – гормон роста, инсулин. Однако следует отметить, что имеются соединения, которые не растворимы в воде, но передают сигнал в клетку как и водорастворимые – через вторичные посредники, не проникая в цитоплазму. Остановимся более подробно на системе, в которой принимают участие вторичные посредники. Как мы уже писали таких систем в клетке несколько (больше 10). Мы рассмотрим только одну систему, наиболее изученную. Называется она цАМФ-зависимая СТС (или цАМФ-зависимая регуляторная система).
Эта система связывает отдельную клетку (или их совокупность) с целым организмом и внешней средой. Функционерами в ней выступают различные органические молекулы или молекулярные комплексы, которые передают информацию последовательно от одного к другому.
Отметим две особенности, которые характерны для этого потока (см. рис. 4).
1. Прежде всего, как мы отмечали ранее, БАВ (или соединение-БАС), выступающий в качестве первичного сигнала, в цитоплазму клетки через плазматическую мембрану не попадает. Подходя к клеткам мишеням БАВ взаимодействует со специфическим рецептором, который находится на плазматической мембране. Рецептор активирует, сопряжённый с ним белок - G- белок. Последний, взаимодействует со сложным ферментативным
Рис. 4. Трансформация первичного сигнала – БАС, во вторичный сигнал цАМФ в системе цАМФ-зависимой СТС.
комплексом – аденилатциклазным комплексом (АЦК). Этот комплекс включает механизм синтеза цАМФ, который и попадает в цитоплазму. Необходимо подчеркнуть важную деталь: - G- белок играет роль переключателя. Соединившись с АЦК, он «включает» синтез цАМФ и, наоборот, отсоединение от АЦК приводит к прекращению синтеза цАМФ. Таким образом, взаимодействие БАВ с рецептором мембраны привело к образованию в цитоплазме цАМФ.
В дальнейшем цАМФ играет роль второго сигнала и передаёт информацию на другое соединение – протеинкиназу (см. рис. 4 и 5). Этот фермент активирует другие многочисленные ферменты цитоплазмы, которые могут в дальнейшем передавать информацию по двум путям – А и Б (рис. 5).
2. Существование в клетке двух потоков информации (А иБ) – вторая особенность этого потока (см. рис. 5). Первое направление - А: активные ферменты приникают через ядерную мембрану в ядро, где активируют ТТС и через неё изменяется метаболизм клетки. Второй поток (Б) не выходит за пределы цитоплазмы: - активные ферменты, находясь в цитоплазме. изменяют интенсивность и направленность находящихся в ней биохимических реакций, что приводит к формированию определённого клеточного ответа. Необходимо отметить, что чаще всего эти два потоки функционируют одновременно.
Рис. 5. Разделение потока информации в цитоплазме на два потока А и Б. ТТС - транскрипционно-трансляционная система передачи информации.
На рисунке 6 мы приводим полную схему цАМФ-зависимой СТС.
Ранее мы упоминали, что практически каждая система передачи информации может отвечать за различные стороны клеточной жизнедеятельности. В обобщённом
варианте потоки информации отвечают за поддержание нормальной жизнедеятельности клетки, её адаптацию к необычным условиям, за развитие и купирование патологических процессов. Покажем это на промере деятельности СТС (см.рис.7).
При стрессе ( например испуг) в крови повышается адреналин. Это повышает интенсивность его связывания с рецепторами плазматической мембраны печёночных клеток, в цитоплазме которых имеются запасы глюкозы в виде гликогена. Раздражение рецептора, повышает активность аденилатциклазного комплекса (АЦК) ( который связан с мембраной), что приводит к увеличению синтеза цАМФ. Последний активирует протеинкиназу, а она , в свою очередь, специальные белки- ферменты, которые проникают в ядро. В ядре белки-ферменты взаимодействуют с ядерным рецептором и активируют ген, контролирующий синтез фермента фосфорилазы. В результате на гене транскрибируется про- иРНК, которая после процессинга уже в виде зрелой иРНК выходит из ядра и участвует в синтезе
Рис. 6. Полная схема сигнал-трансдукторной системы. АЦК – аденилатциклазный комплекс, цАМФ – циклический аденозинмонофосфат, БАС- биологически активное соединение, ТТС- транскрипционно-трансляционная система.
Рис. 7. Активация адреналином в клетке печени через систему СТС и ТТС расщепление гликогена ферментом фосфорилазой до глюкозы и поступление последней в кровеносное русло. СТС- сигнал-трансдукторная система, ТТС – транскрипционно-трансляционная система.
фосфорилазы на рибосоме. Фактически мы перечислили основные этапы экспрессии гена контролирующего белок-фермент фосфорилазу. Уровень фосфолипаз в клетке повышается, что сопровождается усилением расщепления гликогена до глюкозы. Глюкоза выходит из клетки, уровень её в крови повышается. А поскольку глюкоза является одним из основных поставщиков энергии в организме, то энергетический баланс организма возрастает и он способен затратить дополнительную энергию на нейтрализацию опасности (например, убежать ), которая породила стресс.
Другой стороной деятельности любого потока информации является его участие в патологическом процессе. Это чаще всего бывает при нарушении регуляционных систем клетки. В этом случае патологический процесс развивается на основе неконтролируемого функционирования систем входящих в компетенцию потока. СТС не является исключением. Приведём пример (см. рис. 8).
Рис. 8. Действие экзотоксина на синтез цАМФ. 1 – G-белок не связан с АЦК, синтез цАМФ отсутствует, 2 – G-белок связан с АЦК, цАМФ синтезируется, 3 – 1- G-белок связан с АЦК и токсином-белкомА1, синтез цАМФ повышен.
При некоторых кишечных инфекционных заболеваниях (холера, дизентерия) ведущим симптомом является диарея (основным признаком её является понос). Возбудителями заболевания могут быть различные бактерии, выделяющие экзотоксин. Он представляет собой комплекс, состоящий из нескольких белков. Часть из этих белков отвечает за фиксацию экзотоксина на мембране клеток кишечника, а один белок – токсин А1 приникает внутрь плазматической мембраны, где избирательно соединяется с G- белком ( о нём см. рис. 6). Ранее мы отмечали, что этот белок выступает в роли «переключателя» синтеза цАМФ. Соединившись с АЦК (состояние «ВКЛЮЧЕНО») он активирует синтез цАМФ. В свободном состоянии АЦК не активен (состояние «ВЫКЛЮЧЕНО»), синтеза цАМФ не происходит. Такая модификация состояний АЦК вполне нормальна для нашего организма и зависит от его потребностей в цАМФ. Если же G- белок соединился с фрагментом экзотоксина - токсином А1, то образовавшийся комплекс также способен взаимодействовать с АЦК и активировать его. Однако это соединение настолько прочное, что АЦК переходит в гиперактивное состояние
на длительное время. В этом случае начинается неконтролируемый, интенсивный синтез цАМФ (в сотни раз больше нормы). Последний резко усиливает работу всех последующих звеньев СТС и ТТС. В клетке появляется большое количество ферментов контролирующих работу каналов плазматической мембраны, что приводит к усиленному выделению эпителиальными клетками в просвет кишечника воды и электролитов. Развивается диарея.
Необходимо отметить, что в последние годы интерес к G- белку у исследователей возрастает. Так была обнаружена корреляция между неопластическими заболеваниями эндокринной системы и мутациями в генах контролирующих структуру G- белков. При этих мутациях происходит изменение структуры G- белков, нарушается нормальный синтез цАМФ, что в конечном итоге нарушает функционирование всей последующей цепочки передачи информации. Результатом является перерождение нормальных клеток некоторых эндокринных желёз в опухолевую. К сожалению, все детали этого процесса ещё не выяснены. Исследования в этом направлении продолжаются.
1.2. Передача информации от клетки к клетке.
Этот тип передачи имеет две важные особенности.
1. В этом потоке информации, как правило, принимают участие три элемента.
2 Формирования информационного сигнала (в клетке-продуценте) и его восприятии (клеткой-мишенью), как правило, связано с функционированием внутриклеточных потоков информации – СТС и ТТС (раздел 1.1.). Повторим, что клетка-мишень имеет специальное воспринимающее устройство – рецептор на плазматической мембране, в цитоплазме или ядре (раздел 1.1.)
Обе эти особенности имеют принципиальное значение для многих разделов медицины и мы будем постоянно акцентировать на них Ваше внимание.
К настоящему времени открыто несколько межклеточных информационных потоков. Имеется несколько их классификаций. Мы рассмотрим не все, а только ключевые и наиболее изученные. Их 4 (см. рис. 9). Эти потоки отличаются друг от друга средой в которой перемещается информационный сигнал и расстоянием, на которое он перемещается.
1. Гуморальный поток информации. В этом потоке сигнал (гормон, цитокин и др. БАВ) передаётся от клетки к клетки по кровеносной системе.
2. Нейрональный поток информации – сигнал передаётся по структурам нервной системы (нейронам, нервным волокнам).
3. Паракринный и аутокринный потоки информации – сигнал передаётся через межклеточное пространство к соседним клеткам или замыкается на себя. Этот поток информации иногда подразделяется на два потоки – паракринный и аутокринный.
Рис. 9. Классификация потоков информации (сигнализации) осуществляемых от клетки к клетки.
Здесь уместно подчеркнуть, что предлагаемая классификация очень условна, т.к.одно и тоже БАВ в зависимости от интенсивности его синтеза, изоформы молекулы типа воспринимающих клеток и целого ряда других параметров может быть участником гуморального, нейронального или других потоков информации. Связь между потоками информации настолько тесная, что порой, даже трудно вычленить для изучения отдельный поток. Поэтому в настоящее время говорят о «сетевом» принципе действия потоков информации. Это новый взгляд на проблему функционирования потоков информации в клетке.
Рассмотрим каждый поток информации.
1.2.1. Гуморальный ( от латинского слова Humor – жидкость) поток информации.
Основной особенностью этого потока является то, что носитель информации ( химическое вещество – например, гормон или цитокин), секретируемый специальными клетками, попадает в кровь, разносится по всему организму и достигая клеток-мишеней воздействует на них. Начальный этап такого воздействия, как правило, связан с тем, что сигнал (например, гормон) вступает в химическую реакцию с рецептором на клетке-мишене. Такие рецепторы (см. раздел. 1.1.1. и 1.1.2. ) имеются в различных отделах клетки-мишени. Химическая реакция приводит к активации внутриклеточных потоки информации – СТС или ТТС, что, в свою очередь, активирует специфические ферменты и приводит к формированию определённого клеточного ответа.
Секретируемые клетки могут находиться в эндокринных железа (эти железы не имеют выводных протоков, в отличии от экзокринных желёз). К ним относятся – щитовидная и паращитовидная железа, некоторые клетки поджелудочной железы, надпочечников, почек, печени и т.д. Для того, чтобы эндокринный поток информации заработал, необходимо чтобы клетки эндокринных желёз активировались и начали секретировать гормон. Возбуждаются клетки только в результате воздействия на них необычных для организма концентраций метаболитов, например, высоких или низких концентраций глюкозы, кальция, кислорода и др. химических соединений, которые участвуют в обменных процессах. Фактически через эти метаболиты железистые клетки получают информацию о состоянии внутренней среды организма, так как высокие и низкие концентрации метаболитов (по сравнению с физиологическими) часто свидетельствуют о необходимости внести коррекцию в клеточный метаболизм. О состоянии внешней среды клетки желёз получают информацию от органов чувств (зрение, слух, боль и др.) и нервную систему. Как только клетки эндокринных желёз пришли в состояние возбуждения, начинается секреция гормона. Последний, попадает в кровеносное русло и доносится до клеток- мишеней. Взаимодействуя с рецептором клетки гормон инициирует СТС и ТТС в результате чего клетка формирует ответную реакцию, которая нормализует содержание метаболита (например, глюкозы). Приведём пример (см. рис. 10).
Человеку грозит опасность, его охватил страх. В такой ситуации сигнал из зрительных рецепторов поступает в различные отделы головного мозга, а оттуда достигает секреторных клеток надпочечников. С этого момента формируется гуморальный поток информации. Секреторные клетки надпочечников активируются и увеличивают секрецию адреналина в кровь . Попадая с кровью в печень гормон связывается с поверхностными рецепторами клеток, депонирующих гликоген. В дальнейшем события развиваются так , как показано на рис. 7: - в печёночных клетках активируются системы СТС и ТТС, на рибосомах усиливается синтез белка-фермента фосфорилазы, повышается интенсивность расщепления гликогена (находящегося в этих же клетках) до глюкозы. Последняя поступает в кровь, уровень её в крови повышается. В результате чего организм готов затратить дополнительную энергию, для нейтрализации опасности, например, обратиться в бегство.
Подводя итог, подчеркнём, что в изложенном потоке информации представлены два клеточных элемента – секреторная клетка надпочечников и клетка-мишень печени, сигнальное вещество – адреналин, системы внутриклеточного потока информации – СТС и ТТС, клеточный ответ – повышение глюкозы в крови.
Рис. 10. Эндокринный потоки информации регулирующий содержание глюкозы в крови.
Аналогичным образом передаётся информация и другими БАВ, например, цитокинами. Цитокины – это органические вещества – протеины, из класса сигнальных молекул, обладающие широким спектром действия. Они обеспечивают ответную реакцию на внедрение в организм чужеродных тел (например, болезнетворных микроорганизмов), формируя сеть коммуникационных сигналов между клетками иммунной системы и клетками других органов и тканей. Под их контролем находятся такие процессы как воспаление, иммунного ответа, репарация и репликация ДНК. В настоящее время известно более 20 цитокинов. Наиболее полно изучена роль цитокинов в функционировании иммунной системе. Цитокины имеют различное название, но чаще всего их называют интерлейкины (ИЛ-1, ИЛ-2 и т.д.). Секретируются они специальными клетками, разбросанными в соединительной ткани нашего организма (например, клетками крови, тканевыми макрофагами и др.). Как и гормоны, они способны передавать информацию через кровеносную систему. Приведём пример (рис. 11).
Кровеносные сосуды в организме человека чаще всего окружены соединительной тканью (на рисунке 11 она обозначена буквой «С»). В ткани имеются различные клетки. Одни из них попали в ткань из крови , и превратились в макрофаги. В этом статусе они играют важную роль в функционировании иммунной системы человека. Одна из них заключается в том, что внедрившиеся в организм болезнетворные (патогенные) микробы , выделяют токсины ( на рисунке 11 они обозначены как «С»), которые связываются с рецепторами на плазматической мембране макрофагов. В макрофаге активируются системы ТТС и СТС, в результате чего усиливаются внутриклеточные процессы синтеза интерлейкина – 1 (ИЛ-1). Он
Рис. 11. Поток информации: Передача информации циотокином – интерлейкином-1 . БАВ – биологически активные вещества, А – мозг, Б – кровеносный сосуд, С – соединительная ткань.
секретируется макрофагом и проникает в кровеносное русло. С током крови цитокин попадает в головной мозг и передаёт информацию на клетки расположенные в центре терморегуляции (гипоталямус). Эти клетки выделяют специфические вещества, которые попадают в кровь и взаимодействуя с различными клетками нашего организма (например железами, гормоны которых участвуют в теплообмене) повышают температуру тела . При высокой температуре ферментные системы паразита практически не действуют, в тоже время ферментные системы защитных систем человека остаются активными. В вышеизложенной схеме можно выделить два гуморальных потока информации. Один начинается с секреции макрофагом ИЛ-1, проникновение его в кровь и передача информации на нейросекреторные клетки гипоталямуса. Второй – с нейросекреции нейронами гипоталямуса специальных БАВ, которые также попадают в кровь и активируют клетки щитовидной железы и надпочечников. Высвобождаемые при этом гормоны адреналин и тироксин и попадают в кровь и стимулируют процессы теплообразования.
Можно привести ещё один гуморальный поток информации связанный с цитокином ИЛ-1 (см. рис. 12). Этот поток также начинается с секреции макрофагом в кровь ИЛ-1. В крови цитокин воздействует на рецепторы лимфоцитов, что приводит к активации систем ТТС и СТС. Результатом является выход из лейкоцитов БАВ, которые через различные системы повышаю активность иммунной системы организма.
Рис. 12. Гуморальный поток информации с участием цитокина.
Если в итоге суммировать все гуморальные потоки информации, в которых переносчиком является интерлейкин, то складывается достаточно логическая цепочка ответа организма на патогенный (болезнетворный) микроорганизм. В целом выглядит она следующим образом. Проникая в соединительные ткани микроорганизм выделяет токсины, которые активируют системы ТТС и СТС макрофагов находящихся в этой же ткани. Макрофаги выделяют интерлейкин, который попав в кровь, воздействует на центр терморегуляции головного мозга, клетки центра выделяют нейрогормоны попадающие в кровь и активирующие клетки эндокринных желёз – щитовидной и надпочечников. Секретируемые гормоны так же переходят в кровь и доносятся до различных
клеток, повышая в них процессы распада органических веществ, что приводит к образованию тепла. В митохондриях эти гормоны нарушают процесс образования АТФ, что так же приводит к образованию тепла. И, наконец, воздействуя на лимфоциты крови
ИЛ-1 повышает активность иммунитета. Мы рассмотрели только небольшой сценарий в котором принимают участие потоки информации при бактериальном вторжении в организм, когда активируются два важных защитных процесса – теплообразование и иммунитет. На самом деле число переносчиков информации, число клеток-мишеней, число активируемых защитных клеточных ответов при бактериальных инфекциях значительно больше.
1.2.2. Нейрональный (синаптический) поток информации.
Этот поток информации характерен только для нервной системы. Общий принцип передачи информации по нейрональному каналу схож с другими потоками, которые обеспечивают передачу информации между клетками. Однако есть существенные различия. Во-первых, в нейрональном потоке информации, последняя, как правило, переносится не от секреторной клетки (как в эндокринном потоке информации), а от рецепторной. Рецептор с одной стороны воспринимает сигналы внутренней и внешней среды, а, с другой, секретирует не гормон, а преобразует сигнал в энергию электрического импульса и в таком виде передаёт её через синапсы в клетки-мишени.
Упрощённая схема такого потока информации показана на рис. 9, Б. На нём рецептор, находящийся в стенке сосуда, взаимодействует с БАВ крови. Возбуждение рецептора преобразуется в электрический сигнал, который распространяется по аксону нейрона ,переходит через синапс на вставочный нейрон, а от него через синапс на другой нейрон, отростки которого заканчиваются в клетке-мишени. Последняя, получив информацию, преобразует её в системах ТТС и СТС в специфический клеточный ответ.
Отметим, что между рецептором и исполнительной клеткой, как правило, располагается несколько нервных клеток (вставочные нейроны). Весь ансамбль клеток, участвующих в переносе информации, соединяется между собой специфическими образованиями, которые носят название синапс. В синапсе электрический сигнал преобразуется в химический, а затем вновь в электрический. Химический путь передачи информации через синапсы осуществляется при помощи специальных химических веществ – медиаторов. Таким образом, по нейронам сигнал передаётся электрическим путём, а в синапсах –в основном химическим.
Такой тип переноса информации в организме человека очень распространён и прежде всего потому, что даёт возможность быстро дать ответную реакцию. Скорость проведения нервного импульса по нервам примерно 100м/с. Приведём другой пример.
На рис. 11 показано, что сигнальное вещество – ИЛ-1 подходит с кровью к центру терморегуляции, который расположен в гипоталамусе мозга и активизирует его клетки. Это так, но молекулярные события, которые обеспечивают взаимодействие ИЛ-1 и клеток центра терморегуляции намного сложнее. Как показали исследования, интерлейкин из крови в мозг человека не проникает. Этому препятствует барьер, который носит название гематоэнцефалический барьером (ГЭБ). Он надёжно защищает мозг от проникновения в него различных активных веществ растворённых в крови. В противном случае деятельность мозга, а следовательно поведение человека, его обучение, творческий потенциал и всё что связано с социальным поведением зависело бы от содержания в крови БАВ, от их поступления с пищей, от скорости выведения продуктов обмена и т.д. ГЭБ создаёт в организме человека наряду с постоянной внутренней средой ещё одну автономную внутреннюю среду в которой функционирует мозг. Не будем перечислять, чем руководствовалась природа, создавая ГЭБ, но результаты очевидны: - через ГЭБ в мозг проходят не сами БАВ, а информация об их содержании в крови. Пути перехода информации из внутренней среды организма в мозг разнообразны.
Один из потоков информации через ГЭБ непосредственно связан с нейрональным путём передачи сигналов (см. рис. 13). Происходит он следующим образом. На внешней стороне барьера располагаются чувствительные окончания нейронов мозга ( рис. 11. А). Тела нейронов, как правило, размешаются в самой структуре ГЭБ или за её пределами. Чувствительные окончания способны взаимодействовать с определёнными
Рис. 13. Нейрональный поток информации через гематоэнцефалический барьер.
молекулами БАВ, которые находятся в крови. В результате в нейроне возникает потенциал действия, который распространяется по нему до клеток-мишени, т.е. до клеток находящихся в центре терморегуляции гипоталямуса. Последние, активируются и выделяют нейрогормоны, которые через ряд промежуточных стадий формируют в организме ответную реакцию.
Есть и другие пути переноса информации из крови через ГЭБ в центр терморегуляции. Например в случае если переносчиком информации является интерлейкин (см. рис.11), то он воздействует на специальные клетки размещённые в ГЭБ. В ответ эти клетки выделяют активное вещество – простагландин, который попадает в мозг и воздействует на клетки центра терморегуляции в гипоталямуса. Это приводит к повышению температуры тела.
Следует отметить ещё один необычный путь движения информации из внутренней среды организма через ГЭБ в мозг – внутриаксальный транспорт. В этом случае поступление БАВ в мозг происходит путём диффузии по аксону нейрона до клетки-мишени.
1.2.3. Паракринный поток информации.
Передача информации от клетки к клетки осуществляется в основном сигнальными веществами, которые оказывают короткодистантное действие. В настоящее время обнаружено большое количество таких веществ. К ним также относятся и цитокины, которые рассматривались в качестве сигнальных молекул в разделе 1.2.1. В частности мы писали, что макрофаги соединительной ткани в ответ на микробные токсины вырабатывают интерлейкин-1, который попадая в кровь активирует целый спектр защитных систем организма – повышает температуру тела, и стимулирует иммунные системы. Но это не всё. Исследования показали, что в ряде случаев на месте проникших микроорганизмов развивается воспаление. Этот процесс связан со множеством физиологических процессов и , в частности, с тем, что вокруг микроорганизмов формируется
Рис. 14. Паракринный поток информации. ИЛ-1 – интерлейкин – 1.
защитные (гранулярная) оболочка, не позволяющая бактериям распространятся из очага поражения. Эта оболочка состоит из клеточных элементов (например, фибробластов, тучных клеток, макрофагов и др.), которые «впаяны» в неклеточные образования – коллаген и другие элементы. Коллаген – белок образующий прочные, волокнистые
структуры. Это основной структурный белок защитной оболочки. Образуется коллаген фибробластами следующим образом. Макрофаги в ответ на раздражение их токсинами бактерий выделяют интерлейкин-1, который достигает рядом расположенные фибробласты и активирует их системы ТТС и СТС. Клетки начинают усиленно делиться и секретировать коллаген, который постепенно создаёт остов защитной оболочки.
Таким образом, паракринный поток информации в месте воспаления состоит из следующих элементов – токсины микроорганизмов – макрофаг – ИЛ-1 – фибробласт – коллаген. В этом случае, также как и при других потоках информации, активация макрофага и фибробласта токсинами и ИЛ-1 приводит к стимуляции внутриклеточных потоков информации – ТТС и СТС.
1.2.4. Аутокринный поток информации.
Сущность его заключается в том, что возбуждённая внешним сигналом клетка выделяет активные вещества, которые воспринимаются собственными рецепторами клетки и она начинает формировать специфический ответ. Так действуют многое БАВ. Но наиболее это характерно для растущих клеток, которые выделяют цитокин, называемый фактором роста. Растущие клетки выделяют этот фактор, он осаждается на рецепторах плазматической мембраны этих же клеток. При этом включаются системы ТТС и СТС и клетки начинают усиленно расти. Опасно, когда в клетке повреждены механизмы, контролирующие образование этого фактора. В этом случае фактор роста выделяется в больших количествах, действует на соседние клетки (паракринный поток информации), которые начинают безудержно размножаться. Развивается опухолевый процесс.
В заключение предлагаем Вам рассмотреть обобщённую схему потоков информации. Из ранее рассмотренных в неё включены только те, которые связаны с защитой нашего организма от патогенных бактерий. Эти потоки информации мобилизуют для борьбы с ними следующие механизмы: - повышение температуры тела, активацию иммунных систем, изоляцию очага инфекции от организма путём создания специального барьера. (см. рис. 15). В этой схеме представлены практически все типы потоков информации. И суть их совместной деятельности сводится к следующему. Микроб выделяя токсины возбуждает макрофаги, которые в свою очередь выделяют цитокин – интерферон 1. У него два пути действия:- через кровь и через межклеточные промежутки. Поступая в кровь, он проникает через ГЭБ и активирует клетки центра терморегуляции в гипоталямуса, что приводит к повышению температуры. Действуя в крови на клетки крови (лимфоциты и другие) ИЛ-1 активирует их. Они выделяют другие сигнальные молекулы, которые, в конечном итоге, повышают активности иммунных систем организма. Через межклеточные промежутки ИЛ-1 активизирует находящиеся рядом фибробласты, которые начинают усиленно делиться и выделять коллаген. Последние является основным компонентом в барьере, который ограничивает очаг воспаления.