Передача сигналов в клетке
Как клетки получают команды и отвечают на них.
Как клетки «разговаривают» друг с другом
37 триллионов клеток человеческого тела не могут работать вслепую, каждая сама по себе. Чтобы организм действовал как единое целое — рос, реагировал на опасность, переваривал пищу, защищался от инфекции, — клетки должны постоянно обмениваться сигналами. Этот обмен и называется клеточной сигнализацией (сигнальной трансдукцией, от лат. transductio — «перенос, передача»): процесс, в ходе которого клетка воспринимает внешний сигнал, преобразует его во внутреннюю команду и меняет своё поведение.
Общая логика почти любого сигнального пути одинакова и состоит из трёх звеньев:
- Приём — сигнальная молекула («первичный посредник») достигает клетки и связывается с рецептором (белком-приёмником, специфичным именно к этому сигналу).
- Передача (трансдукция) — связывание запускает внутри клетки цепочку химических событий, часто с усилением сигнала и участием вторичных посредников (внутриклеточных сигнальных молекул).
- Ответ — клетка изменяет своё поведение: активирует или тормозит ферменты, открывает ионные каналы, включает или выключает определённые гены, начинает делиться, двигаться или умирать.
Ключевая идея всей системы — специфичность: сигнал получает только та клетка, у которой есть подходящий рецептор. Один и тот же гормон может вызывать совершенно разные ответы в разных тканях — потому что за рецептором стоят разные внутренние программы. Адреналин заставляет сердце биться чаще, а сосуды кишечника — сужаться, хотя это один и тот же сигнал: разница в том, какой рецептор и какая программа стоят в клетке-приёмнике.
Типы сигнализации по дальности
Клетки общаются на разных «дистанциях» — от прямого контакта до передачи сигнала через весь организм:
Сигнальная молекула — гормон — выделяется эндокринной железой в кровь и разносится по всему телу, действуя на удалённые клетки-мишени. Медленно (секунды–часы), но масштабно и продолжительно. Пример: инсулин из поджелудочной железы действует на мышцы, печень и жировую ткань по всему телу.
Сигнал действует на соседние клетки в непосредственной близости, диффундируя через межклеточное пространство (от греч. para — «около»). Пример: медиаторы воспаления (гистамин, простагландины), выделяемые в очаге повреждения, действуют на окружающие клетки; факторы роста, стимулирующие заживление раны.
Клетка выделяет сигнал, на который сама же и реагирует (от греч. autos — «сам»). Часто используется для самоподдержания состояния. Пример: некоторые раковые клетки выделяют факторы роста, стимулирующие собственное деление, — механизм неконтролируемого размножения опухоли.
Синаптическая — нейрон выделяет нейромедиатор в узкую синаптическую щель, действуя прицельно и очень быстро (миллисекунды) на одну соседнюю клетку. Контактная (юкстакринная) — сигнал передаётся при прямом контакте мембран двух клеток или через щелевые контакты, без выделения молекулы в среду.
Рецепторы: приёмники сигнала
Рецептор — белок, способный узнать конкретную сигнальную молекулу (лиганд, от лат. ligare — «связывать») и в ответ изменить своё состояние, запуская внутренний ответ. Все рецепторы делятся на две принципиально разные группы в зависимости от того, где они расположены.
Мембранные рецепторы
Большинство сигнальных молекул — водорастворимые (пептидные гормоны, нейромедиаторы, факторы роста) — не могут пройти сквозь жирную мембрану внутрь клетки. Они действуют через рецепторы, встроенные в клеточную мембрану: лиганд связывается снаружи, а сигнал передаётся внутрь без прохождения самой молекулы. Рассмотрим три главных типа и общий принцип их действия.
GPCR (от англ. G-Protein-Coupled Receptor — «рецептор, связанный с G-белком») — самое многочисленное семейство рецепторов человека (около 800 разновидностей). Пронизывают мембрану семь раз. При связывании лиганда активируют G-белок (посредник, связывающий гуаниновые нуклеотиды — ГТФ/ГДФ), который, в свою очередь, запускает выработку вторичных посредников. Через GPCR действуют адреналин, дофамин, серотонин, гистамин, многие гормоны, а также свет (в сетчатке глаза), запахи и вкус. Около трети всех современных лекарств действуют именно на GPCR.
При связывании лиганда сами приобретают ферментативную активность — чаще всего тирозинкиназную (присоединяют фосфатную группу к аминокислоте тирозину в белках-мишенях). Такое присоединение фосфата (фосфорилирование) — универсальный способ «включить» или «выключить» белок. Через эти рецепторы (рецепторные тирозинкиназы, RTK) действуют инсулин и большинство факторов роста. Мутации в них, приводящие к постоянной активности, — частая причина рака.
Ионотропные рецепторы — это ионные каналы, открывающиеся при связывании лиганда (лиганд-зависимые каналы). Самый быстрый способ передачи сигнала (миллисекунды): связался лиганд — канал открылся — ионы хлынули внутрь или наружу — заряд мембраны изменился. Так работают синапсы: рецептор ацетилхолина на мышечном волокне, рецепторы ГАМК и глутамата в мозге. Именно на них действуют многие психоактивные вещества и препараты (бензодиазепины усиливают ГАМК-рецепторы).
Общий принцип: связывание лиганда снаружи меняет форму рецептора, и это изменение «просачивается» на внутреннюю сторону мембраны, запуская внутриклеточные события — активацию G-белка, фосфорилирование мишеней или открытие канала. Сама сигнальная молекула при этом остаётся снаружи — внутрь передаётся только «сообщение», а не сам «посланник».
Внутриклеточные рецепторы
Жирорастворимые сигнальные молекулы — стероидные гормоны (кортизол, эстроген, тестостерон, альдостерон), гормоны щитовидной железы, витамин D — свободно проходят сквозь мембрану внутрь клетки. Их рецепторы находятся в цитоплазме или прямо в ядре. Связавшись с гормоном, такой рецептор сам становится фактором транскрипции — белком, который прикрепляется к ДНК и включает или выключает определённые гены. Отсюда две особенности: действие развивается медленно (нужно время на синтез новых белков — часы), но зато оно длительное и глубокое, потому что меняет саму программу работы клетки. О считывании генов подробнее — в разделе Как работают гены.
Вторичные посредники: усиление сигнала внутри клетки
Когда мембранный рецептор активирован, сигнал внутри клетки часто подхватывают вторичные посредники — небольшие молекулы, которые быстро образуются в большом количестве и разносят сигнал по всей клетке. Их главная роль — усиление: одна молекула гормона может через каскад привести к образованию тысяч молекул вторичного посредника, а те — активировать десятки тысяч ферментов. Так слабый внешний сигнал превращается в мощный внутренний ответ.
цАМФ (циклический аденозинмонофосфат) — самый известный вторичный посредник. Образуется из АТФ под действием фермента аденилатциклазы, который активируется G-белком. цАМФ включает протеинкиназу A (ПКА) — фермент, фосфорилирующий множество мишеней. Через цАМФ реализуется, например, действие адреналина на расщепление гликогена и жиров. Фермент фосфодиэстераза разрушает цАМФ, завершая сигнал; кофеин в высоких дозах способен подавлять фосфодиэстеразу, хотя основной бодрящий эффект кофе связан с блокадой аденозиновых рецепторов.
Ион кальция — универсальный вторичный посредник. В покое его концентрация в цитоплазме крайне низкая; по сигналу кальций лавиной высвобождается из хранилищ (эндоплазматического ретикулума) или входит снаружи. Резкий «всплеск» Ca²⁺ запускает сокращение мышц, выброс нейромедиаторов и гормонов, деление клетки. Часто действует через белок кальмодулин, который, связав кальций, активирует другие ферменты.
ИФ₃ (инозитолтрифосфат) и ДАГ (диацилглицерол) образуются вместе при расщеплении мембранного липида ферментом фосфолипазой C. ИФ₃ «отпирает» кальциевые хранилища (высвобождает Ca²⁺), а ДАГ активирует протеинкиназу C (ПКC). Этот путь запускают многие гормоны и факторы роста, действующие через GPCR.
цГМФ (циклический гуанозинмонофосфат) — посредник, важный для зрения и расслабления сосудов. Оксид азота (NO) — газообразная сигнальная молекула: выделяется эндотелием сосудов, диффундирует в гладкие мышцы стенки и через цГМФ вызывает их расслабление (расширение сосуда). На этом пути работают нитроглицерин (при стенокардии) и препараты от эректильной дисфункции (силденафил, блокирующий разрушение цГМФ).
Как сигнал выключается
Не менее важно, чем включить сигнал, — вовремя его выключить. Постоянно «включённая» клетка так же опасна, как и «глухая». Природа встроила несколько механизмов завершения сигнала:
- Удаление лиганда — сигнальная молекула разрушается ферментами или удаляется из среды. Пример: ацетилхолин в синапсе мгновенно расщепляется ферментом ацетилхолинэстеразой; серотонин обратно захватывается нейроном (на этом захвате работают антидепрессанты — СИОЗС, селективные ингибиторы обратного захвата серотонина).
- Разрушение вторичных посредников — фосфодиэстераза разрушает цАМФ и цГМФ; кальциевые насосы откачивают Ca²⁺ обратно в хранилища.
- Дефосфорилирование — ферменты фосфатазы снимают фосфатные группы, добавленные киназами, возвращая белки в исходное «выключенное» состояние.
- Десенситизация (снижение чувствительности) — при длительной стимуляции клетка убирает часть рецепторов с поверхности или делает их менее чувствительными. Это причина привыкания (толерантности) к некоторым лекарствам и веществам.
Сигнальные пути и судьба клетки
Некоторые сигнальные пути определяют важнейшие «решения» клетки — расти, делиться, специализироваться или умереть. Их работа изучается особенно пристально, потому что именно их поломки лежат в основе рака и многих других болезней.
Классический каскад от факторов роста: рецепторная тирозинкиназа → белок Ras → цепочка киназ (MAPK-каскад, от англ. Mitogen-Activated Protein Kinase — «протеинкиназа, активируемая митогенами», то есть стимуляторами деления) → включение генов деления. Мутации в гене Ras, делающие его постоянно активным, обнаруживаются примерно в трети всех злокачественных опухолей человека.
Путь, подавляющий апоптоз (программируемую гибель) и стимулирующий рост клетки. Активируется инсулином и факторами роста. Тесно связан с сенсором питательных веществ mTOR (разобран в разделе Обмен веществ и энергия). Избыточная активность этого пути — ещё один частый механизм ухода раковых клеток от гибели.
NF-κB — фактор транскрипции, центральный «выключатель» воспалительного и иммунного ответа. Активируется цитокинами (сигнальными белками иммунной системы), бактериальными молекулами, стрессом. Включает гены воспаления, защиты от гибели, иммунной активации. Хроническая избыточная активность NF-κB связана с хроническим воспалением, аутоиммунными заболеваниями и раком.
Сигнальные пути, управляющие эмбриональным развитием, дифференцировкой клеток и работой стволовых клеток во взрослом организме. Определяют, какой клеткой станет предшественник и где сформируется структура тела. Их нарушение вызывает пороки развития, а повторная патологическая активация во взрослом возрасте — некоторые виды рака (например, путь Hedgehog — базалиому кожи).
Нарушения клеточной сигнализации
Многие виды рака по своей сути — заболевания сломанной сигнализации. Раковая клетка «обманывает» систему: рецепторы роста застревают во включённом состоянии, пути выживания подавляют апоптоз, сигналы «стоп» игнорируются. Именно поэтому современная таргетная терапия (от англ. target — «мишень») нацелена не на клетку вообще, а на конкретные сломанные сигнальные белки: препараты-ингибиторы тирозинкиназ (иматиниб при хроническом миелолейкозе), блокаторы рецепторов роста (трастузумаб при HER2-положительном раке молочной железы).
Яркий пример того, как микроб «взламывает» сигнализацию. Токсин холерного вибриона необратимо активирует G-белок в клетках кишечника, из-за чего аденилатциклаза бесконтрольно производит цАМФ. Клетки в ответ выбрасывают в просвет кишечника огромное количество хлора, а за ним — воды. Результат — профузная («рисовая») диарея с потерей до нескольких литров жидкости в сутки, ведущая к смертельному обезвоживанию без лечения.
При диабете 2-го типа проблема часто не в нехватке инсулина, а в нарушении передачи его сигнала (инсулинорезистентности): рецептор инсулина и внутренний каскад (путь PI3K/Akt) отвечают слабо, поэтому клетки не забирают глюкозу должным образом даже при высоком уровне инсулина. Это классический пример болезни на уровне не гормона, а его сигнального пути. Подробнее — в разделе Обмен веществ и энергия.
Связи с другими системами
- Клетка: рецепторы встроены в клеточную мембрану, вторичные посредники работают в цитоплазме, факторы транскрипции действуют в ядре. Строение всех этих структур разобрано в разделе Клетка.
- Транспорт через мембрану: ионотропные рецепторы — это лиганд-зависимые ионные каналы, а изменение заряда мембраны — форма сигнала. Механизмы работы каналов разобраны в разделе Транспорт через мембрану.
- Как работают гены: конечная точка многих сигнальных путей — включение или выключение генов через факторы транскрипции. Процесс считывания генов и синтеза белка разобран в разделе Как работают гены.
- Гомеостаз: вся гормональная регуляция внутренней среды — это сигнализация в действии. Петли обратной связи, гипоталамо-гипофизарная ось, реакция на стресс разобраны в разделе Гомеостаз.
- Обмен веществ и энергия: инсулин, глюкагон, адреналин управляют метаболизмом через сигнальные каскады; сенсоры энергии (АМФК, mTOR) — узлы этой же сети. Подробнее — в разделе Обмен веществ и энергия.