kurs_physiology_of_intercellular_communication_2008

А. В. Сидоров

Физиология межклеточной коммуникации

Минск

БГУ

2008

УДК 612.816.3(075.8) ББК 28.707я73

C34

Р е ц е н з е н т ы: кафедра нормальной физиологии

Белорусского государственного медицинского университета (заведующий кафедрой доктор медицинских наук, профессор, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь А. И. Кубарко); доктор биологических наук, профессор,

член-корреспондент НАН Беларуси В. В. Солтанов

Сидоров, А. В.

С34 Физиология межклеточной коммуникации : учеб. пособие / А. В. Сидоров. – Минск : БГУ, 2008. – 215 с.

ISBN 978-985-485-812-8.

В учебном пособии изложены современные представления о межклеточной передаче информации. Особое внимание уделяется вопросам физиологии синапсов и фармакологии синаптической передачи.

Предназначено для студентов биологических специальностей учреждений, обеспечивающих получение высшего образования. Представляет интерес для аспирантов, преподавателей, специалистов-нейрофизиологов и биофизиков.

УДК 612.816.3(075.8) ББК 28.707я73

ISBN 978-985-485-812-8	© Сидоров А. В., 2008
	© БГУ, 2008

СОДЕРЖАНИЕ
ОТ АВТОРА.........................................................................................................................	3
ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................	4
Глава 1. СТРОЕНИЕ МЕЖКЛЕТОЧНЫХ КОНТАКТОВ
Типы межклеточных контактов..........................................................................................	7
Щелевые контакты...............................................................................................................	9
Синапсы...............................................................................................................................	10
Глава 2. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ
Характеристика транспортных свойств мембраны.........................................................	15
Различие ионных концентраций по разные стороны мембраны.. .................................	17
Виды транспорта ................................................................................................................	18
Перенос веществ посредством транспортных белков....................................................	19
Системы активного транспорта веществ .........................................................................	21
Принципы классификации ионных каналов....................................................................	24
Основные ионные каналы возбудимых мембран............................................................	27
Глава 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ КЛЕТОК
Типы электрических сигналов..........................................................................................	34
Электрические свойства мембран нейронов ...................................................................	39
Нейронная интеграция и взаимодействие синапсов.......................................................	46
Глава 4. ИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ
ФОРМИРОВАНИЯ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА
И ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ
Мембранный потенциал....................................................................................................	48
Потенциал действия...........................................................................................................	51
Ионные токи при развитии потенциала действия...........................................................	52
Экспериментальная проверка ионной гипотезы.............................................................	56
Ионные токи, проходящие через одиночные каналы.....................................................	57
Распространение потенциала действия............................................................................	58

Глава 5. ПРЕСИНАПТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА
Деполяризация нервного окончания................................................................................	59
Роль Са2+ при деполяризации............................................................................................	61
Квантовый характер высвобождения медиатора............................................................	63
Морфологические корреляты квантового выхода медиатора .......................................	68
Молекулярные основы выделения медиатора.................................................................	70
Глава 6. ПОСТСИНАПТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА
Синаптические потенциалы, связанные с изменением проводимости мембраны ......	72
Эквивалентные электрические схемы прямой инепрямой синаптической передачи.....	77
Электротонические синапсы.............................................................................................	79
Электрохимические (смешанные) синапсы.....................................................................	82
Эффективность синаптической передачи........................................................................	85
Глава 7. СИГНАЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ВЕЩЕСТВ
Принципы межклеточной передачи сигнала...................................................................	89
Пути передачи внеклеточных сигналов через мембрану...............................................	91
Рецепторы, связанные с G-белками..................................................................................	95
Системы вторичных посредников....................................................................................	99
Общая характеристика рецепторов ................................................................................	102
Десенситизация рецепторов............................................................................................	105
Глава 8. НЕЙРОМЕДИАТОРЫ
И НЕЙРОМОДУЛЯТОРЫ (общий обзор)
Действие веществ синаптической направленности.....................................................	106
Некоторые методы, применяемые при изучении нейромедиаторов
и нейромодуляторов.........................................................................................................	107
Критерии идентификации нейромедиаторов и нейромодуляторов............................	114
Классификация нейромедиаторов и нейромодуляторов..............................................	116
Глава 9. НЕЙРОМЕДИАТОРЫ: АЦЕТИЛХОЛИН,
ГИСТАМИН И СЕРОТОНИН
Ацетилхолин: локализация в центральной нервной системе млекопитающих.........	118
Метаболизм ацетилхолина..............................................................................................	120
Ацетилхолин: рецепторы и передача сигнала внутрь клетки......................................	123
Биологические эффекты ацетилхолина..........................................................................	127
Гистамин: локализация в организме млекопитающих.................................................	129
Метаболизм гистамина....................................................................................................	130
Гистамин: рецепторы и передача сигнала внутрь клетки............................................	131
Биологические эффекты гистамина................................................................................	132
Серотонин: локализация в центральной нервной системе млекопитающих..............	133
Метаболизм серотонина..................................................................................................	134
Серотонин: рецепторы и передача сигнала внутрь клетки..........................................	135
Биологические эффекты серотонина..............................................................................	137

Глава 10. НЕЙРОМЕДИАТОРЫ: КАТЕХОЛАМИНЫ И АМИНОКИСЛОТЫ

Катехоламины: локализация в центральной нервной системе млекопитающих.......	138
Метаболизм катехоламинов............................................................................................	141
Катехоламины: рецепторы и передача сигнала внутрь клетки....................................	144
Биологические эффекты катехоламинов........................................................................	146
Аминокислоты: локализация в центральной нервной системе млекопитающих......	147
Метаболизм возбуждающих и тормозных аминокислот..............................................	149
Возбуждающие и тормозные аминокислоты: рецепторы и передача сигнала
внутрь клетки....................................................................................................................	152
Биологические эффекты аминокислотных нейромедиаторов.....................................	158
Глава 11. НЕЙРОМОДУЛЯТОРЫ
Общая характеристика нейропептидов..........................................................................	159
Особенности метаболизма нейропептидов....................................................................	161
Краткая характеристика некоторых нейропептидов ....................................................	164
Нейромодуляторы – производные жирных кислот.......................................................	170
Внеклеточные пурины и пиримидины как нейромодуляторы ....................................	173
Глава 12. ГАЗООБРАЗНЫЕ НЕЙРОМОДУЛЯТОРЫ
И ОБЪЕМНАЯ ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА
Концепции объемной и проводниковой передачи сигнала..........................................	176
Клеточная организация мозга.........................................................................................	178
Типы межклеточных сигналов........................................................................................	180
Газообразные нейромодуляторы: монооксид азота (NO) ............................................	180
Газообразные нейромодуляторы: монооксид углерода (СO)
и сульфид водорода (Н2S)................................................................................................	184
Кислотно-основное равновесие (pH) и температура как факторы объемной
передачи сигнала..............................................................................................................	186
ПОСЛЕСЛОВИЕ............................................................................................................	189
ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................	190

ОТ АВТОРА

Основу настоящего издания составляют тексты лекций, читаемых автором в рамках курса «Физиология межклеточной коммуникации» студентам биологического факультета Белорусского государственного университета.

В учебном пособии кратко изложены современные представления о природе межклеточных контактов, способах обмена информацией между клетками. Особое внимание уделено физиологии нервных клеток и синапсов. Разделение учебного материала на отдельные главы проведено по тематическому принципу. В главах 1–6 описаны структуры и механизмы, обеспечивающие возникновение, передачу, восприятие и переработку сигнала. В главах 7–12 рассмотрены частные вопросы, касающиеся медиаторных систем центральной нервной системы. При этом главное внимание сосредоточено на молекулярных и клеточных основах их функционирования.

Каждая глава снабжена списком оригинальных статей по проблемам межклеточной коммуникации. Приведены также учебные пособия и монографии, которые могут быть использованы студентами для самостоятельной подготовки по предмету.

Автор выражает искреннюю благодарность коллективу кафедры физиологии человека и животных Белорусского государственного университета, рецензентам за высказанные советы и замечания, а также коллективу Управления редакционно-издательской работы университета за подготовку рукописи к изданию.

3

ВВЕДЕНИЕ

Принципы межклеточной коммуникации. Судьба любой клетки организма зависит от сигналов, поступающих к ней извне. Они регулируют процессы, определяющие выживание клеток, их способность к делению и дифференцировке, функциональную активность или гибель последних. Под влиянием внешних сигналов происходят различные биохимические превращения внутри клеток, изменяется уровень экспрессии генов, наблюдаются перестройки цитоскелета – клетка реагирует на раздражение.

Важнейшим этапом межклеточной коммуникации является передача сигнала от клетки к клетке. Для ее успешного осуществления необходимо, как минимум, два элемента: клетка, генерирующая сигнал, и клетка, способная к восприятию сигнала. В зависимости от наличия специализированных, способных к восприятию сигнала, структур на поверхности клетки – рецепторов – все многообразие действующих механизмов можно разделить на две большие группы:

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

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

Ко второй группе механизмов передачи сигнала относятся различные типы связи, большинство из которых ассоциируется с выделением химического вещества во внеклеточную среду генерирующей сигнал клеткой (принцип гуморальной регуляции). В настоящее время выделяют:

• эндокринную передачу сигнала: химическое вещество – гормон –

попадает в кровеносное русло и вместе с током крови переносится на значительные расстояния, оказывая влияние на клетки-мишени, расположенные в самых разных местах организма;

4

•паракринную передачу сигнала: химическое вещество – «ткане-

вой» регулятор, или парагормон, выделяется во внеклеточную среду, где оно способно диффундировать на незначительное расстояние, вовлекая в ответную реакцию совокупность расположенных рядом клеток;

•нейронную передачу сигнала: действие химического вещества – нейромедиатора – ограничено узкой областью специального контакта двух взаимодействующих клеток – синапсом. Таким образом, в ответную реакцию вовлекается лишь одна клетка из множества возможных. В рассмотренном случае в качестве генерирующей сигнал структуры всегда выступает нервная клетка. Объектом ее влияния является другая нервная клетка, клетка мышечной ткани или железы.

Часто крайне сложно провести четкую границу между двумя последними типами межклеточной сигнализации. В ряде случаев диффузия нейромедиато-

ра не ограничивается областью синапса, оказывая действие на рядом расположенные клетки. Справедливо и обратное – парагормоны, достигая области синапса, модулируют нейронную передачу сигнала.

Помимо взаимодействия, опосредованного выделением химического вещества в межклеточное пространство, возможна и коммуникация, основанная на прямом контакте между клетками. При этом генерирующая сигнал клетка, перемещаясь и вступая в контакт с клеткой-мишенью, сама является источником информации. Связывание клеток происходит при участии мембран-ассоциированных белков и играет важную роль в некоторых процессах клеточной дифференцировки.

Эволюция межклеточной коммуникации. Сравнительно-физиоло-

гические исследования показали, что признаков эволюционного усложнения элементарных механизмов, лежащих в основе электрической возбудимости нервной клетки, не существует. По мнению П. Г. Костюка (1979), они представляют собой чрезвычайно древнее приобретение живых организмов. Новыми же являются различные вспомогательные механизмы, способствующие более эффективному использованию уже имеющихся основных, например появление миелиновой оболочки и системы перехватов Ранвье, значительно увеличивающих скорость проведения нервного импульса.

Даже по отношению к организмам, обладающим самой простой, в сравнении с высокоорганизованными животными, нервной системой, несправедливо говорить о меньшей степени медиаторной специфичности

5

их нервных клеток. Использование в качестве сигнальных молекул различных веществ характерно даже для кишечнополостных.

Тем не менее в ходе эволюции происходит перекомбинация элементарных механизмов, обусловливающих процессы межклеточной коммуникации. В частности, у высших позвоночных и беспозвоночных животных уменьшается доля пептидергических нейронов и наблюдается экспансия нервных клеток, использующих различные низкомолекулярные соединения в качестве нейромедиатора. У представителей животного мира, находящихся на более высокой ступени эволюционной лестницы, происходит замена электрических и электрохимических синапсов на чисто химические.

6

ГЛАВА 1

СТРОЕНИЕ МЕЖКЛЕТОЧНЫХ КОНТАКТОВ

ТИПЫ МЕЖКЛЕТОЧНЫХ КОНТАКТОВ

Морфологические структуры, возникающие в местах соприкосновения клеток в тканях, носят название межклеточных контактов. Они могут быть классифицированы на основании выполняемой функции:

1.Функция герметизации отсеков межклеточного пространства между соседними клетками. В результате мелкие водорастворимые молекулы не способны легко и быстро перемещаться во внеклеточном матриксе.

Ворганизме позвоночных этот тип соединений представлен плотными контактами (tight junction). Они сформированы посредством связанных друг с другом белков, закрепленных на рядом расположенных участках мембран соседних клеток (рис. 1, а). Играют ключевую роль в поддержании полярности клеток, особенно эпителиальных, обеспечивая различия в составе межклеточного пространства по разные стороны от слоя связанных таким образом клеток.

2.Функция скрепления клеток друг с другом. В результате ткани приобретают механическую прочность, а различные клеточные типы не смешиваются в пределах одного органа (ткани).

Основу контактов этого типа составляют трансмембранные белки – кадгерины. Молекула кадгерина плазматической мембраны одной клетки напрямую связывается с аналогичной молекулой кадгерина, расположенной на мембране соседствующей клетки, соединяя их в единое целое. Связывание происходит в присутствии ионов кальция.

Наиболее просто устроенными типами подобных соединений являются рыхлые (простые) контакты, в англоязычной литературе именуемые слипающимися контактами (adherens junction). В этом случае (рис. 1, б) между лишенными специализированных структур плазматическими мембранами соседних клеток имеется щель шириной 10–20 нм. При этом мо-

7