Механизмы межклеточных взаимодействий

У многоклеточных организмов обмен информации происходит как между соседними клетками, так клетками, непосредственно не контактирующими друг с другом. Между со­седними клетками в тканях поддерживается непосредственная связь при помощи межклеточных контактов. Дистанционные контакты в организме осуществля­ются при помощи электрических и химических сигналов. У высокоорганизованных живот­ных существуют специализированные структуры, осуществляющие координацию и управле­ние функций организма (нервная и эндокринная система).

Межклеточные контакты.

Электронно-микроскопические исследования позволили обнаружить три типа кон­тактных структур (контактных комплексов): плотный контакт, щелевой контакт и кон­такт с помощью десмомом. В зоне плотного контакта две плазматические мембраны пол­ностью смыкаются, т.е. межклеточная щель отсутствует. В этом случае вещества из одной клетки диффундируют в другую непосредственно через две мембраны.

Щелевые соединения образованы специализированными белковыми молекулами, вы­ступающих из плазматической мембраны в межклеточное пространство и образующих структуры, называемых коннексонами. Контакт осуществляется таким образом, что субье­диница белка на поверхности одной клетки взаимодействуют с аналогичной субъединицей соседней клетки, образуя канал с внешним диаметром 8 нм и внутренним диаметром 2 нм. Коннексон каждой клетки состоит из 6 субъединиц глобулярных белков. Соответственно, щелевой контакт между двумя клетками представляет собой канал образованный из 12 гло­бул белка, закрепленных на мембранах. По такому каналу небольшие растворимые молекулы с м.м. до 1500 Да (сахара, аминокислоты) и ионы непосредственно могут переходить из ци­топлазмы одной клетки в цитоплазму другой.

Рис. 3. Схематичное изображение щелевого соединения между двумя клетками.

Проницаемость щелевых соединений регулируются. Так, в клетках сердечной мышцы при концентрации Са²⁺  10^-7 М/л межклеточные каналы открыты, при повышении концентрации Са²⁺ до  10^-5 М/л они закрываются. Изменение потенциала на мембране клетки также изменяет проницаемость щелевого соединения.

На наружной поверхности цитоплазматических мембран некоторых клеток находятся круглые или овальные структуры - десмосомы , размер которых постоянен для разных кле­ток и равен в диаметре 0,2 мкм. От десмосомы в цитоплазму контактирующих клеток тя­нутся микрофибриллы длиной до 4 нм.

Межклеточные контакты играют важную роль у млекопитающих, в частности, они обеспечивают синхронизацию сокращения сердечной мышцы, клеток гладкой мускулатуры. Одни и те же клетки, например, клетки печени, могут взаимодействовать друг с другом и с помощью плотных контактов, и десмосомами, и через щелевые соединения. Предполагают, что до образования кровеносной системы плода в эмбриогенезе межклеточные контакты служат и для распределения питательных веществ.

Нервная и эндокринная системы.

Как отмечалось выше, координация функций клеток, тканей, органов у животных осуществ­ляется работой нервной и эндокринной системы. В большинстве случаев нервные и эндок­ринные клетки вырабатывают и передают информацию в виде электрических импульсов и (или) химических сигналов. Нервные клетки передают сигналы значительно быстрее и на большие расстояния, чем клетки эндокринной системы. Сначала рассмотрим общие принципы работы нервной системы.

Нервная система. Передача нервного импульса через синапсы.

Энергия раздражителя в рецепторе преобразуется в по­тенциал действия (нервный импульс), который транспортируется по мембране нервной клетки. Передача нервного импульса по нейрону были рассмотрены выше (с.?). Нервная клетка образует с клетками-мишенями или другими нервными клетками специализированные контакты - синапсы. По способу передачи нервного импульса разли­чают 3 типа синапсов: химические, электрические и синапсы смешанного типа.

Химический синапс. В химическом синапсе передача информации от одной клетки к другой осуществляется путем высвобождения и диффузии химического соединения -посредника (нейромедиатора). Медиатор вызывает возбуждение или торможение в иннервируемой клетке. В химических синапсах, в пресинаптической области (окончание нервной клетки) присутствуют синаптические пузырьки ( Д = 20 - 80 нм), которые содержат высокие концен­трации медиаторов ( рис. 4). Пресинаптическая и постсинаптическая области отделены си­наптической щелью шириной 10 - 50 нм. Процесс передачи нервного импульса состоит в ос­вобождении из синаптических пузырьков молекул (ионов) медиатора, которые диффунди­рует в синаптическую щель и связываются с соответствующими рецепторами на постсинап­тической мембране. Связывание медиатора рецептором сопровождается изменением кон­формации рецепторных молекул, что приводит к изменению проницаемости постсинаптиче­ской мембраны для ионов. Рассмотрим работу химического синапса на примере двигательной концевой пластины на скелетных мышечных волокнах позвоночных животных. Медиатором в этом синапсе служит ацетилхолин. Он синтезируется в пресинаптическом окончании аксона в результате переноса ацетильной группы ацетил- КоА на холин. Эта реакция катализируется ферментом холинацетилтрансферазой. Часть образовавшихся молекул ацетилхолина попадает в пресинаптические пузырьки, часть остается в цитозоле. Один синаптический пузырек диаметром около 40 нм содержит около 10000 моле­кул медиатора. Для открывания одного канала необходимо связывание двух молекул ацетилхолина. За полупериод времени жизни канала ( 1 мс), по нему проходит 10⁴ ионов натрия. Затем канал закрывается, и реакция на ацетилхолин исчезает на относительно длительный промежуток времени. Для восстановления возбудимости постсинаптической мембраны необходимо нейтрализовать деполяризующий агент, что достигается гидролизом молекулы медиатора. В частности, в нервно-мышечных синапсах ацетилхолин гидролизуется до ацетата и холина под действие фермента ацетилхолинэстеразы. Этот фермент локализован в синаптической щели и характеризуется очень высокой активностью. Число оборотов фермента достигает до 25000 с^-1, т.е. одну молекулу субстрата он расщепляет за 0,04 мс. Высокая активность холинэстеразы обеспечивает быстрое восстановление поляризованной постсинаптической мембраны. Синапсы способны передавать тысячу импульсов в секунду и соответственно, восстановление мембраны должно происходить в течение долей миллисекунд.

Показано, что ацетилхолин высвобождается из пресинаптической мембраны порциями (квантами) по 10⁴ молекул. При выбросе одного кванта ацетилхолина ( при разрыве одного синаптического пузырька) возникают деполяризующие импульсы с амплитудой 0,5 мВ. Такие потенциалы возникают случайно с постоянной вероятностью и при отсутствии стимуляции нерва. Для возникновения потенциала действия на постсинаптической мембране, необходимо одновременное высвобождение не менее 100 квантов ацетилхолина. Такое синхронное высвобождение большого количества молекул медиатора происходит при деполяризации пресинаптической мембраны. Таким образом, высвобождение ацетилхолина представляет собой электрически регулируемую форму секреции. Таким путем происходит передача сигнала через синапс и его многократное усиление. Известно, что в рецепторных клетках, ответственных за вкус, обоня­ние, коэффициент усиления сигнала достигает до 1000 и более раз.

Особенностью функционирования химических синапсов является передача сигналов только в одном направлении и наличие синаптической задержки - интервала времени между возникновением потенциала действия в нервном окончании и появлением синаптического потенциала в постсинаптической мембране ( 0,3 мс). Эффективность работы химических синапсов подвергается модификации. Чем чаще используется синапс, тем эффективнее его работа. Химические синапсы обладают определенной пластичностью и являются одним из важных звеньев в механизмах обучения, запоминания .

Электрический синапс. В электрическом синапсе ширина синаптической щели составляет всего 2-3 нм. Между пресинаптической и постсинаптической мембранами осуществляется непосредственная электрическая связь благодаря наличию щелевого соединения. Электри­ческий синапс работает в прямом и обратном направлении и характеризуется отсутствием синаптической задержки.

Синапсы смешанного типа характеризуются наличием химического и электриче­ского способов передачи сигнала.

Рис. 5. Различные типы синапсов, и способов передачи нервного импульса.

Взаимодействие нейромедиатора с рецепторами постсинаптической мембраны приводит к возникновению постсинаптического потенциала (ПСП). Эти потенциалы могут быть двух типов: деполяризующие и гиперполяризующие постсинаптическую мембрану. Деполяризующие мембраны потен­циалы являются возбуждающими, а гиперполяризующие – тормозящими, и обозначают их, соответственно, ВПСП и ТПСП.

Возникновение ВПСП обусловлено активацией нейромедиатором ионных ка­налов постсинаптической мембраны, и соответствующим повышением его проницае­мости для ио­нов Na⁺ , К⁺, и в некоторых случаях - Ca²⁺. В этом случае мембранный потенциал изменяется от -60 до +30 мВ и возникает потенциал действия. Нейромедиаторы, вызывающие ВПСП называются возбуждающими. К таким медиаторам относятся ацетилхолин, дофамин, норадреналин, адреналин, глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота и др.

Нейромедиаторы , вызывающие ТПСП, называются тормозящими (γ-аминомасляная кислота, глицин, нейропептиды). Они активируют либо калиевые, либо хлорные каналы. Соответственно, повышение проницаемости мембраны для этих ионов вызывает ее гиперполяризацию и повышение значения мембранного потенциала до -90 мВ. В этом случае возбуждение не передается по синапсу.