С.Ю. Афонькин, Г.П. Пинаев
Всумерки на чердаке сарая заработало штурвальное колесо. Один за однимнатягивались крепкие веревочные провода, передавая туда, куда надо, и те, чтонадо, сигналы.
А.Гайдар.«Тимур и его команда»
Основы коммуникации
Длянормальной жизнедеятельности любого организма составляющие его клетки, подобнолюдям в социуме, должны чутко реагировать на меняющуюся ситуацию, регулируясвою работу в зависимости от окружающих условий и текущих потребностеймногоклеточного государства. Изменение функций клетки происходит при появленииили исчезновении в ней определенных белков или изменении активностей ужесуществующих. Регуляция активностей белков происходит путем изменения ихпространственной структуры за счет присоединения или диссоциации ионов металлов,фосфатных, гидроксильных или метильных групп, а также взаимопревращенияSH-групп и S–S-связей, способных образовывать внутрибелковые сшивки. Эти группыи малые молекулы играют роль своеобразных молекулярных «зажимов» и «фиксаторов»,добавление или удаление которых обратимо изменяет активности ферментов.
Клеткаизменяет активности своих ферментов в ответ на получаемые ею из внешней средыспецифические сигналы. Эти сигналы представляют собой определенныенизкомолекулярные вещества (лиганды), связывающиеся со специальными участкамиклеточной поверхности – рецепторами. В организме человека лигандами являются, например,нейротрансмиттеры, которые выделяются в синаптических щелях нервными клетками вответ на нервный импульс, а также вещества, секретируемые другими клетками вокружающую их среду.
Впервом случае сигнал воспринимается нервной клеткой и по нервному волокнуприходит точно по адресу к другой клетке. Этот тип регуляции быстрый иобеспечивается нервной системой.
Вовтором случае, называемом гуморальной регуляцией, сигнальное вещество можетдействовать на целую группу клеток. Если оно действует в ближайшем окружении отвыделившей его клетки, говорят о локальных химических медиаторах (от лат.localis – местный, medius – посредничающий). Один из примеров такого медиатора– белок гистамин, который выделяют так называемые тучные клетки в ответ наповреждение окружающих их тканей. В результате действия гистамина увеличиваетсяпросвет близлежащих кровеносных сосудов, и к месту травмы устремляются отрядылимфоцитов, буквально протискивающихся через стенки капилляров. Поглощаясигнальные вещества, которые сами же и выделяют, клетки осуществляютсамоконтроль и самонастройку на определенную работу.
Возможнатакже и гуморальная регуляция состояния всего организма, когда сигнальноевещество синтезируется определенным типом ткани, попадает в кровь и разноситсяс кровотоком по всему телу. Такой тип сигнальной коммуникации обеспечиваютгормоны. Однако и на гормоны реагируют только клетки, имеющие соответствующиерецепторы.
Химическиевещества, способные связываться с наружными клеточными рецепторами и влиять нафункционирование клетки, называют первичными медиаторами, или первичнымимессенджерами (англ. messenger – посыльный). Межклеточная сигнализацияудивительным образом напоминает основы коммуникации, разработанные вчеловеческом обществе.
Проводателефонной сети похожи на хитросплетение нервных волокон. Сообщение по нимпроходит от одного абонента к другому. Роль локальных химических медиаторовиграют устные сообщения. Они поступают только к ближайшим слушателям. Безспециальных технических ухищрений до всего общества они не дойдут.
Самонастройкуи самоконтроль осуществляет каждый человек, отдавая устный или письменныйприказ самому себе. Кровеносное русло выполняет функции почтовой связи, котораяпомимо именных писем и бандеролей ежедневно разносит тысячи рекламных листочков,которые опускаются в каждый абонентный ящик. Реагируют же на эти сообщения опочинке телевизоров или продаже сахара мешками только люди, которые имеютпотребность в данной услуге – «рецептирующие» информацию о ней.
Загадка цАМФ
Какимже образом первичные мессенджеры оказывают влияние на активность белков и, темсамым, на активность клетки? Для этого внешний по отношению к клетке сигналдолжен превратиться во внутренний. Ключевую роль в таком процессе играют образующиесявнутри клетки вторичные мессенджеры, которых на удивление мало. Главенствующуюроль среди них играет циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), открытый в 1958 г. Э.Сазерлендом и Т.Роллом.
Этосоединение образуется из знаменитой АТФ – аденозинтрифосфорной кислоты, которуючасто называют «энергетической разменной монетой» клетки. Как известно, АТФсостоит из азотистого основания аденина, пятиуглеродного циклического сахара итрех остатков фосфорной кислоты (рис. 1). Химические связи между фосфорнымиостатками богаты энергией. Практически все внутриклеточные процессы, начиная отсинтеза белков и кончая мышечным сокращением, получают энергию за счетотщепления одной или двух фосфатных групп АТФ.
/>
Рис.1. Синтез и расщепление цАМФ
Циклическийаденозинмонофосфат образуется с помощью фермента аденилатциклазы, которыйотщепляет от АТФ два остатка фосфорной кислоты, а последний, третий, остатокзамыкает через два атома кислорода на сахар рибозу, входящий в состав аденозина(рис. 1). Это удивительное вещество играет роль универсального вторичногомессенджера в клетках практически всех организмов, как эукариотических, так ипрокариотических (рис. 2).
/>
Рис.2. Главные механизмы образования внутриклеточных мессенджеров
Вкачестве примера рассмотрим, как цАМФ влияет на образование гликогена, которыйявляется формой хранения глюкозы в животных клетках.
Вмомент опасности из надпочечников в кровь выбрасывается большое количествоадреналина. Двигаясь по кровеносной системе, этот гормон достигает мышечныхклеток, имеющих рецепторы адреналина. Связывание адреналина приводит кизменению пространственной структуры рецептора, что, в свою очередь, активируетфермент аденилатциклазу, расположенную на внутренней поверхности клеточноймембраны. Аденилатциклаза начинает превращать АТФ в цАМФ, и внутриклеточнаяконцентрация последнего быстро возрастает. При достижении определенного уровняцАМФ активирует фермент протеинкиназу, который присоединяет остатки фосфорнойкислоты (фосфорилирует) к аминокислотам серину и треонину в ферментегликогенсинтетазе. Как следует из названия, этот фермент занимается в клеткахсинтезом гликогена. Фосфорилирование изменяет пространственную структуруфермента, в результате чего он инактивируется и новые порции гликогена уже необразуются. Протеинкиназа, активированная цАМФ, фосфорилирует также еще одинфермент – киназу фосфорилазы. Киназа, в свою очередь, фосфорилируетгликогенфосфорилазу, которая в результате начинает отщеплять от гликогенамолекулы глюкозы (рис. 3). Появившаяся же в мышцах глюкоза играет роль топлива,на котором они успешно работают.
/>
Рис.3. Схема стимулирования распада гликогена повышением уровня цАМФ
Цитоскелетсигнализирует
РегулируемаяцАМФ каскадная схема взаимодействий ферментов кажется непростой, а вдействительности устроена еще более сложно. В частности, связавшиеся спервичными мессенджерами рецепторы оказывают влияние на активность аденилатциклазыне непосредственно, а через так называемые G-белки (рис. 4), работающие подконтролем гуанинтрифосфорной кислоты (ГТФ).
Ачто происходит, когда почему-либо нарушается нормальная связь событий? Примеромможет быть заболевание холерой. Токсин холерного вибриона оказывает воздействиена уровень ГТФ и влияет на активность G-белков. В результате уровень цАМФ вклетках кишечника больных холерой оказывается постоянно высоким, что вызываетпереход больших количеств ионов натрия и воды из клеток в просвет кишечника.Следствие этого – изнуряющие поносы и потеря воды организмом.
Внорме под воздействием фермента фосфодиэстеразы цАМФ в клетке быстроинактивируется, превращаясь в нециклический аденозинмонофосфат АМФ. Течениедругого заболевания – коклюша, вызываемого бактериями Bordetella pertussis, сопровождаетсяобразованием токсина, который тормозит превращение цАМФ в АМФ. Отсюда возникаюти неприятные симптомы болезни – покраснение горла и доходящий до рвоты кашель.
Наактивность фосфодиэстеразы, превращающей цАМФ в АМФ, влияют, например, кофеин итеофиллин, что обуславливает стимулирующее действие кофе и чая.
Многообразиеэффектов цАМФ и способов регуляции его концентрации в клетках делает егоуниверсальным вторичным мессенджером, играющим ключевую роль в активацииразличных протеинкиназ.
Вразных клетках цАМФ может приводить к совершенно различным эффектам. Этосоединение не только принимает участие в распаде гликогена и жиров, но такжеувеличивает частоту сердечных сокращений, влияет на расслабление мускулатуры, контролируетинтенсивность секреции и скорость поглощения жидкостей. Оно является вторичныммессенджером для целого спектра различных гормонов: адреналина, вазопрессина, глюкагона,серотонина, простогландина, тироид-стимулирующего гормона; цАМФ работает вклетках скелетной мускулатуры, сердечной мышцы, в гладких мышцах, почках, печени,в тромбоцитах.
Резонновозникает вопрос: почему же различные клетки реагируют на цАМФ по разному?Можно сформулировать его и иначе: почему при повышении концентрации цАМФ вразных клетках активируются различные протеинкиназы, которые фосфорилируютразные белки? Эту ситуацию можно проиллюстрировать с помощью такой аналогии.Представьте себе, что к двери офиса постоянно подходят различные визитеры –лиганды и первичные мессенджеры. При этом они звонят в один-единственныйзвонок: раздается сигнал – вторичный мессенджер. Как при этом служащимзаведения определить, кто именно пожаловал с визитом и как надо реагировать наданного посетителя?
Загадка ионов кальция
Рассмотримсначала, что происходит со вторым чрезвычайно распространенным вторичныммессенджером – кальцием, вернее его ионами. Впервые их ключевая роль в рядебиологических реакций была показана еще в 1883 г. когда Сидней Рингер заметил, что изолированные мышцы лягушки не сокращаются вдистиллированной воде. Чтобы в ответ на электрическую стимуляцию мышцасократилась, ей необходимо присутствие в окружающей ее среде ионов кальция.
/>
Рис.5. Схема строения скелетной мышцы (саркомера)
/>
Рис.6. Система мембран, передающая сигнал от плазмалеммы мышечной клетки ко всеммиофибриллам
Теперьпоследовательность основных событий, происходящих при сокращении скелетноймускулатуры, хорошо известна (рис. 5). В ответ на электрический импульс, которыйдоходит до мышцы по аксону нервной клетки, внутри мышечной клетки – миофибриллы– открываются резервуары ионов кальция – мембранные цистерны, в которыхконцентрация ионов кальция может быть выше, чем в цитоплазме, в тысячу и болеераз (рис. 6). Высвободившийся кальций соединяется с белком тропонином С, которыйсвязан с выстилающими внутреннюю поверхность клетки актиновыми филаментами.Тропонин (рис. 7) играет роль блокатора, препятствующего скольжению миозиновыхнитей по актиновым филаментам. В результате присоединения кальция к тропонинублок отсоединяется от нити, миозин скользит по актину, и мышца сокращается(рис. 8). Как только акт сокращения заканчивается, специальные белки –кальциевые АТФазы – закачивают ионы кальция обратно во внутриклеточныерезервуары.
/>
Рис.7. Схема расположения на актиновом филаменте тропонина и тропомиозина
/>
Рис.8. Актиновый филамент в поперечном разрезе
Наконцентрацию внутриклеточного кальция оказывают влияние не только нервныеимпульсы, но и другие сигналы. Например, это может быть уже знакомый нам цАМФ.В ответ на появление адреналина в крови и соответствующее повышениеконцентрации цАМФ в клетках сердечной мышцы в них высвобождаются ионы кальция, чтоприводит к учащению сердцебиения.
Вещества,оказывающие влияние на кальций, могут содержаться также непосредственно вклеточной мембране. Как известно, мембрана состоит из фосфолипидов, средикоторых один – фосфоинозитол-4, 5-дифосфат – играет особую роль. Помимо инозитамолекула фосфоинозитол-4, 5-дифосфата содержит две длинные углеводородные цепи,состоящие из 20 и 17 атомов углерода (рис. 9). Под воздействием определенныхвнеклеточных сигналов и под контролем уже знакомых читателям G-белков они отсоединяются,в результате чего образуются две молекулы – диацилглицерин и инозитолтрифосфат.Последний участвует в высвобождении внутриклеточного кальция (рис. 10). Такогорода сигнализация используется, например, в оплодотворенной икре шпорцевойлягушки.
Проникновениепервого же из множества спермиев в готовую для оплодотворения икринку вызываетобразование в ее мембране инозитолтрифосфата. В результате ионы кальциявысвобождаются из внутренних резервуаров и оболочка оплодотворенной яйцеклеткимгновенно разбухает, отсекая путь внутрь яйцеклетки менее удачливым или менеерасторопным сперматозоидам.
/>
Рис.11. Структура молекулы кальмодулина
Какже такое простое вещество, как ион кальция, может регулировать активностьбелков? Выяснилось, что он связывается внутри клетки со специальным белкомкальмодулином (рис. 11). Этот достаточно крупный белок, состоящий из 148аминокислотных остатков, как и цАМФ, обнаружен практически во всех изученныхклетках.
/>
Рис.12. Механизм активации Ca2+-зависимого ферментау
Присоединяющийсяк кальмодулину кальций активирует его аналогично тому, как цАМФ стимулируетработу протеинкиназ. Именно так, например, происходит инициация сокращениягладкой мускулатуры. Высвободившиеся в ответ на внешний сигнал ионы кальциясвязываются с кальмодулином, который после этого взаимодействует с ферментомкиназой и активирует ее (рис. 12). Комплекс киназа–кальмодулин связывается сактином, приводя его в рабочее состояние. В результате гладкие мышцысокращаются. Опосредованный кальцием путь сигнала к поперечно-полосатойскелетной мускулатуре более длителен, зато гладкие мышцы в отличие отпоперечно-полосатых могут значительно дольше находиться в сокращенномсостоянии. Именно поэтому мускулы-замыкатели двустворчатых раковин могут часамисжимать свои створки.
Вклетках разных тканей активированный кальцием кальмодулин связывается сразличными белками-мишенями, влияя на их работу. Такое поведение кальмодулинавызывает вопрос, который возникал и при обсуждении влияния цАМФ и активируемойим протеинкиназы на активность белков, а именно: почему в разных клетках одни ите же активированные кальцием молекулы кальмодулина присоединяются к различнымбелкам?
Загадка стероидных гормонов
Совершенноаналогичная проблема возникает и при изучении гидрофобных стероидных гормонов, структуракоторых похожа на структуру жирорастворимого вещества холестерина. Термин«гидрофобный» указывает на их плохую растворимость в воде (от гр. hydor – водаи phobos – страх). Такие гормоны, будучи жирорастворимыми, легко проходят черезсостоящие из фосфолипидов клеточные мембраны. Оказавшись внутри клетки, стероидныегормоны связываются с соответствующими рецепторами. Рецепторы изменяют своюпространственную форму (конформацию) и, проникая в ядро через его ядернуюмембрану, соединяются с определенными последовательностями нуклеотидов в ДНК, темсамым «включая» или «выключая» транскрипцию определенных генов. Такаяпоследовательность событий доказана для стероидного гормона кортизона – егокомплекс с рецептором связывается с соответствующим единственным геном, которыйудалось выделить и клонировать. Какая цепь превращений вызывается действиемдругих гормонов и как происходит их специфическая «посадка» на определенныйучасток ДНК, во многом пока не ясно.
Неясно и другое. Показано, что один и тот же гормон, связываясь со своимспецифическим рецептором, вызывает различные ответы в разных клетках.
Забытое пространство
Числоразнообразных сигналов, которые клетка может получать извне, очень велико. Этослабые электрические импульсы, гормоны, медиаторы, различные ростовые факторы идругие воздействия. Количество же вторичных мессенджеров, с помощью которых всеэто множество внешних сигналов влияет на внутриклеточные процессы, удивительномало. Это цАМФ, ионы кальция, специальные молекулы типа высокофосфорилированныхнуклеотидов (РРАРР – фосфат-фосфат-аденин-фосфат-фосфат) или инозитолтрифосфат.
Какже с помощью этих вторичных посредников клетка умудряется понять, какие именносигналы их вызвали и каким образом необходимо на них реагировать? На этотвопрос трудно ответить прежде всего потому, что все клеточные компоненты(молекулы и ансамбли молекул) строго определенным образом скомпонованы впространстве клетки.
Изучаяпо отдельности детали сложного часового механизма, который устроен несравнимопроще клетки, нелегко понять, как все эти шестеренки, маховички и пружинывлияют друг на друга в работающем хронометре. Между тем именно такую задачуприходится решать исследователям клетки. Чтобы понять существо отдельныхявлений или процессов, нужно разрушить клетку, выделить из нее белки, изучитьих свойства и только потом попытаться установить их роль в том или иномпроцессе. При этом допускаются упрощения. Так, обычно принимается, чтоводорастворимые белки свободно диффундируют в цитоплазме наподобие крупинок всупе и никак не связаны между собой. Между тем само устройство некоторыхклеточных органелл предполагает, что комплексы взаимодействующих ферментовдолжны образовывать специально сконструированные архитектурные ансамбли.Например, множество белков, катализирующих окислительные реакции в дыхательнойцепи, располагаются на внутренних мембранах митохондрий в строго определенномпорядке. Именно такая пространственная организация позволяет им с успехомосуществлять передачу богатых энергией электронов.
Ноклетка содержит множество белков, связи которых друг с другом более лабильны иизменчивы во времени. По-видимому, для регуляции их пространственноговзаимодействия требуется не прочное «заякоривание», а более тонкий и гибкиймеханизм. В частности, обеспечивать такую пространственную организацию могутбелки цитоскелета. Они образуют настолько ажурные и динамичные структуры, чтоих изучение стало возможным лишь относительно недавно.
Строительные леса цитоскелета
Первыесвидетельства сложности внутренней архитектуры цитоплазмы были получены еще вXIX в., когда в результате серебрения срезов тканей в клетках стали различатьявственно проступающие сетеподобные структуры. Однако к изучению их состава иустройства удалось приступить лишь в 60-е гг. XX в., когда в биологии сталишироко применяться такие тонкие методы исследований, как электроннаямикроскопия, ультрацентрифугирование и электрофорез.
Вцитоплазме были обнаружены сложные структуры, образующие цитосклет. Выяснилось,что тяжи цитоскелета построены в основном из тонких (диаметром 7 нм) актиновыхфиламентов и длинных, толстых (диаметром 25 нм) и жестких микротрубочек, состоящихиз - и -тубулина. Эти белки оказались очень лабильными, способнымиформировать легко изменяющиеся динамичные пространственные структуры. Вчастности, глобулярные белки актина не только легко и быстро полимеризуются вдлинные вытянутые нити – филаменты (рис. 13). Они взаимодействуют с целымнабором других вспомогательных белков, в результате чего возникает определеннымобразом организованная пространственная сеть филаментов.
/>
Рис.13. Организация глобулярных молекул актина в актиновом филаменте
/>
Рис.14. Создание сети с помощью молекул филамина
Вспомогательныебелки филамин и -актинин выполняют функции своеобразных скобок, сшивающихфиламенты актина в структуру, напоминающую рыболовную сеть (рис. 14). Белокфибрин связывает актиновые филаменты в толстый пучок вроде веника или снопа.Тропомиозин стабилизирует уже сформированные тяжи актина (рис. 7). Гельзолиндействует словно секатор, разрезая длинные филаменты на отдельные кусочки.Профилин, как нянька, сопровождает актиновые глобулы к местам их присоединенияк образовавшимся ранее фрагментам нитей, виллин служит инициаторомполимеризации актина в растворе, а тимозин, наоборот, не позволяет глобулярномуактину соединятся в нити. Наконец, миозин способен активно подтягиватьфиламенты навстречу друг другу (рис. 5). Таким образом актиновые филаментыможно уподобить арматуре строительных лесов, которые можно резать, надставлятьи соединять под любыми углами и в любых положениях. Их можно также соединятьвместе, создавая тянущее напряжение всей конструкции.
Тубулиноказался белком не менее замечательным, чем актин. Образованные иммикротрубочки способны разбираться с одного конца и собираться с другого. Белокнексин помогает им объединяться в сложные ансамбли, а белок динеин можетскользить по тубулиновой микротрубочке, как дрезина по рельсам. Посколькудинеин в то же время способен жестко прикрепляться к микротрубочке другой своейстороной, это обеспечивает взаимное скольжение трубочек друг относительнодруга.
Внекоторых случаях филаменты и микротрубочки образуют четкий шаблон дляпостроения определенных органоидов. Так происходит, например, в развивающемсясперматозоиде: актиновые филаменты формируют спиралевидную конструкцию, структурукоторой потом, после ее распада, в точности повторяют возникшие на этом местемитохондрии. Высокоорганизованные летательные мышцы насекомых строятся вэмбриогенезе по тубулиновым шаблонам.
Помимоактиновых филаментов и тубулиновых микротрубочек в состав цитоскелета входяттакже промежуточные филаменты (диаметром 7–11 нм), которые исследованызначительно хуже, но, как полагают, являются не менее лабильными образованиями.
Белкицитоскелета принимают деятельное участие в движении клетки, поскольку для егоосуществления требуется постоянное изменение ее формы. Мышечное сокращение, амебоидноедвижение, перешнуровывание клетки во время деления, фагоцитоз основаны навзаимодействии актина и миозина, а биение ресничек и жгутиков сперматозоидовпроисходит благодаря скольжению микротрубочек друг относительно друга.
Белкицитоскелета незаменимы там, где надо создать сложную пространственную иотносительно стабильную форму. Например, внутри микроворсинок эпителиальныхклеток кишечника и почек проходят пучки актиновых филаментов. Принципиальнотакие же, но гораздо более мощные пучки находятся в стереоцили волосковыхклеток в улитке внутреннего уха. Похожая на двояковогнутую шайбу формаэритроцита поддерживается благодаря взаимодействию актина с белками спектриноми анкирином.
Подобныепримеры можно было бы множить, однако важнее задаться вопросом: только ли кфиксации формы клетки сводится роль ее цитоскелета? Может быть, он играетсущественную роль в образовании функциональных комплексов водорастворимыхферментов, а образованная цитоскелетом сеть служит для приема и передачиинформации? Исходя из физико-химических свойств белков цитоскелета, это, впринципе, возможно. Вспомните ловчую сеть пауков. Она не только образует хитрыеловушки для насекомых. Натяжение и дрожание паутинок сигнализируют их конструкторуо пойманной добыче или непредвиденной поломке ажурной конструкции.
Паутина сигнализирует
Указанияна роль цитоскелета в передаче информации в клетки начали накапливаться с1980-х гг. К этому времени уже было известно явление так называемого кеппинга.
Вернемсяк началу этой статьи. Когда сигнальные вещества – лиганды – взаимодействуют сосвоими рецепторами, образовавшиеся комплексы собираются на поверхности клетки вкомпактную группу. Затем клеточная мембрана изгибается и комплексы лигандов срецепторами втягиваются внутрь клетки (интернализируются), где происходит ихутилизация. В этом процессе принимает участие актин, филаменты которогосвязываются с внутриклеточной частью пронизывающего мембрану рецептора. Играетли при этом актин роль только лишь стягивающей сеточки, необходимой дляобразования на мембране впадины, или же его роль в этом процессе более сложна, остаетсяпока не выясненным.
Актиновыефиламенты способны прикрепляться не только к рецепторам, но и к клеточноймембране в районе так называемых фокальных контактов, образующихся в местахсоприкосновения клетки с субстратом. Являются ли эти контакты лишь местамикрепления к субстрату или же они одновременно информируют клетку об окружающихее молекулах, частицах?
Проведеннаявыше аналогия устройства цитоскелета с сетью паутины становится почти наглядной,если учесть, что микротрубочки и промежуточные филаменты тянутся от ядра кпериферии клетки. Из исследований культивируемых вне организма клеток хорошоизвестно, что большинство из них при осуществлении активной работыраспластываются на той или иной подложке (рис. 15). В этих условиях в клеткахформируется сложная трехмерная сеть филаментов.
/>
Рис.15. Схема расположения актиновых филаментов в тонких пластинчатых отростках (ламеллоподиях)клеток, растущих в культуре
Этинаблюдения хорошо согласуются с данными о том, что митохондрии и лизосомыпередвигаются в клетке не случайным образом, а вдоль микрофиламентов. Частьбелоксинтезирующего аппарата клетки тоже связана с цитоскелетом. Если разрушитьмикротрубочки, то расположение таких важных органоидов как пузырьковидныеэлементы аппарата Гольджи, в которых проходят конечные стадии созреванияготовых для экскреции белков нарушается, они оказываются размещенными в клеткеслучайным образом, а не в определенном порядке. Некоторые водорастворимыеферменты, участвующие в гликолизе, связаны с актиновыми филаментами. Хорошоизвестно, что в транспорте белков в нервных клетках также участвуют актиновыефиламенты.
Следовательно,для синтеза определенных белков (а значит, и для выполнения определенныхфункций), клетка должна привести свой цитоскелет в рабочее состояние, котороеобеспечивает необходимую пространственную организацию клеточных реакций ипроцессов. С этим выводом хорошо согласуется тот факт, что при различныхстрессовых воздействиях клетка в первую очередь разбирает основные компонентысвоего цитоскелета, а затем формирует их заново, в соответствии с реакцией наполученный сигнал. Такая перестройка обеспечивает переключение с одного режимаработы на другой.
Будетли клетка по-разному формировать свой молекулярный скелет в ответ на активациюразличных поверхностных рецепторов? Опыты с фибробластами и эпителиальнымиклетками, распластывающимися на стекле, покрытом различными белками, дают наэтот вопрос однозначный ответ.
Еслина стекло нанести белок внеклеточного матрикса – фибронектин, тораспластавшиеся на нем фибробласты принимают полигональную форму и в нихактивно формируются состоящие из актина так называемые стрессфибриллы. Другойнанесенный на стекло белок внеклеточного матрикса – ламинин – вызывает активноедвижение фибробластов вследствие образования у них узких спицеподобныхмикрошипов и плоских тонких ламеллоподий (рис. 15). Стрессфибриллы в этойситуации не образуются вовсе. Наконец, нанесенные на стекло антитела кэпидермальному фактору роста (веществу, стимулирующему активное деление клетоккожи) вызывают в распластывающихся клетках эпидермиса образование полусфер изактина.
Хотядетали этих процессов остаются пока не ясными, очевидно, что клетки по-разномуформируют свой цитоскелет в зависимости от тех или иных сигналов, полученных изокружающей среды.
Скептическинастроенный читатель может возразить на это, что реорганизация цитоскелета неимеет прямого отношения к проведению внутриклеточных сигналов, а скорееявляется следствием, реакцией клетки на эти сигналы. Однако такое утверждение, всвою очередь требует доказательств.
Интересные,в этом плане, результаты были получены при работе с клетками CHO (от англ.Chinese Hamster Ovary cells), выделенными из китайских хомячков. Приопределенных условиях они становились раковыми. Вернуть их в нормальноесостояние помогало добавление бутирата цАМФ – формы цАМФ, которая легкопроникает внутрь клеток. Если же предварительно раковые клетки CHOобрабатывались разрушающим цитоскелет цитохалазином, то нормализации непроисходило. Из этих экспериментов следует, что для успешного использованияцАМФ в качестве вторичного мессенджера клетка должна иметь работоспособныйцитоскелет.
Оченьважны данные исследователей, работавших с протоонкогенами Ras, Rho и Cdc42(т.е. с генами, повреждение которых почти неизбежно превращает нормальнуюклетку в раковую). Ген Ras активируется (т.е. начинается синтез закодированногов нем белка) уже упоминавшимся эпидермальным фактором роста, Rho – мощнымстимулятором клеточного деления лизофосфатидиловой кислотой, а Cdc42 –пептидным гормоном брадикинином. В экспериментах было показано, что действиегена Ras связано с образованием в клетках сети микрофиламентов и ламелл, похожихна амебные псевдоподии. Ген Rho ответственен за формирование стрессфибрилл, аCdc42 вызывает образование филлоподий.
Полученныерезультаты становятся совсем уже интригующими в свете последних открытий, связанныхс изучением особых трансмембранных белков интегринов. Как правило, этиклеточные рецепторы состоят из двух цепей – альфа и бета, причем существует 15вариантов первой и 98 вариантов второй. Собираясь в разных комбинациях, ониобразуют как минимум 20 различных типов интегринов, некоторые из которыхспособны связываться с белками внеклеточного матрикса, например, ламинином ифибронектином. При этом происходит активация уже знакомых нам протоонкогеновRas и Cdc42!
Какимже образом полученный интегринами сигнал поступает в ядро? Сами интегрины необладают фосфатазной активностью, т.е. не способны активировать белки с помощьюприсоединения к ним фосфатных групп. Зато торчащую внутрь клетки часть молекулыинтегрина окружает целый комплекс белков, таких, например, как таллин, винкулин,паксиллин, а также фермент FAC-киназа, связанный с фокальными контактами –своеобразными «пуантами», на которых клетка передвигается по субстрату. Отэтого белкового ансамбля внутрь клетки отходят актиновые нити, которыесовместно с микротрубочками и промежуточными филаментами могут доходить отмембранной периферии клетки до ее ядра. Полагают, что так передается сигнал вядро клетки.
Этопредположение подтверждается данными экспериментов, проведенных с искусственновыращиваемыми мышиными фибробластами, трансформированными онкогеном Ras. В этихопытах было показано, что в ответ на внешний сигнал – эпидермальный факторроста – клетка синтезирует белок – фактор транскрипции NFkb, который участвуетв самой первой стадии синтеза белка – считывании (транскрипции) РНК с ДНК, находящейсяв ядре. Фактор транскрипции находится в цитоплазме и связан непосредственно сэлементами цитоскелета, а именно со стрессфибриллами и фокальными контактами.Это означает, что соединение, играющее существенную роль в регуляции работыядерных генов, буквально вплетено в цитоскелетную сеть!
Возвращаяськ загадкам вторичных мессенджеров, можно предположить, что цитоскелет принимаетактивное участие в проведении внутриклеточных сигналов, за счет образованияпространственных комплексов между рецепторами, соответствующими протеинкиназамии активируемыми ими белками. Аналогичную роль цитоскелет может играть и вситуации с кальмодулином, поскольку определенное его количество в клеткесвязано с пучками актиновых филаментов и промежуточных филаментов. Функциицитоскелета в активации ядерных генов менее ясны, но указания на такуювозможность уже получены.
Кто в клетке король?
Наэтом можно было бы и закончить рассказ о возможной роли цитоскелета вовнутриклеточной сигнализации, если бы не еще одно любопытное соображение. Делов том, что в ядре клетки содержится информация о первичной структуре всехбелков, включая белки цитоскелета, но нет абсолютно никаких указаний на ихвзаимное расположение. Если образованные белками пространственные структурычрезвычайно стабильны, можно говорить о самосборке, которая действительнопроисходит, например, в случае образования белковых оболочек вирусов или приформировании прямо в пробирке тубулиновых микротрубочек. Однако когда делокасается таких лабильных и способных к сложным перестройкам структур, какцитоскелет, только к самосборке их образование не свести. Что же определяет туили иную конфигурацию цитоскелета?
Явноне ядро – как не определяет состояние общества накопленная в библиотекахинформация. Ее можно почерпнуть оттуда, но что и когда будет востребованоопределяется самим обществом. Вероятно, так же действует и клетка, достаточноавтономно от ядра формируя свою пространственную структуру.
Известно,что миниатюрные безъядерные фрагменты фибробластов живут часами, активно ползаяи приобретая различные формы. Живущие неделями в кровяном русле тромбоцитытакже лишены ядра, что не мешает им принимать активное участие в таком важномпроцессе, как свертывание крови при травмах сосудов. Пространственная структураклетки может самовоспроизводиться и даже оказывать воздействие на ее внешниереакции. Интегрины, например, обладают уникальной для трансмембранных (т.е.пронизывающих мембрану насквозь) рецепторов способностью реагировать навнутренние клеточные сигналы, изменяя при этом свое сродство к тем или инымвнешним лигандам. Известно также, что именно цитоскелет определяет ориентациюбелков внеклеточного матрикса и тем самым оказывает влияние на соседние клетки.
Такимобразом, ответ на вопрос о том, что же есть жизнь, во многом зависит отпонимания того, каким образом длительно существуют во времени исамовоспроизводятся сложные пространственные ансамбли макромолекул, прекраснымпримером которых является цитоскелет
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта bio.1september.ru