43 МЕЖДУКЛЕТЪЧНА СИГНАЛИЗАЦИЯ Клетките в многоклетъчния организъм непрекъснато си изпращат сигнали (обменят информация), чрез които те съгласуват своята дейност в интерес на организма като цяло. Предаването на информация между клетките се нарича междуклетъчна сигнализация. Носител на сигнала е някакво химическо вещество (белтък, малък пептид, аминокиселина, стероид и др.). Това вещество се нарича сигнално вещество, а неговите молекули – сигнални молекули. В междуклетъчната сигнализация учавстват следните 3 елемента: 1. Клетка, която изпраща информация, т. е. клетка, която секретира сигналните молекули (чрез екзоцитоза или дифузия). 2. Носител на информацията (сигнална молекула). 3. Клетка, която получава информацията, т. е. прицелна клетка, върху която въздейства сигналната молекула. Обикновено двете клетки (секретираща и прицелна) са разделени от ЕЦТ, поради което сигналните молекули трябва да преминат през тази течност, за да се осъществи предаването на информация (фиг. 1.29 А). Изключение правят клетките, които са свързани чрез цепковидни контакти (нексуси), тъй като в този случай сигналните молекули минават през конексоните, а не през ЕЦТ (фиг. 1.29 Б). Като изключение може да се разглежда и случаят, при който сигналните молекули излизат на повърхността на клетката, без да се отделят от нея. В този случай двете клетки трябва да се допрат една до друга, за да се осъществи предаването на информация между тях (фиг. 1.29 Б). Междуклетъчната сигнализация чрез пряк контакт между клетките има значение за клетъчното развитие и за имунните отговори. Във всички останали случаи сигналните моле- Фиг. 1. 29 Междуклетъчна сигнализация. А – сигналната молекула се отделя от секретиращата клетка и преминава през ЕЦТ, за да достигне до прицелната клетка. Б – изключения, при които сигналната молекула минава през конексоните или не се отделя от секретиращата клетка. 44 кули преминават през един или през няколко компартимента на ЕЦТ (чрез дифузия или конвекция) и така достигат до прицелните клетки. Ето защо сигналните молекули трябва да са водноразтворими или ако не са (например стероидите), те се свързват с определени транспортни белтъци и така стават водноразтворими. Когато достигне до прицелната клетка, сигналната молекула се отделя от транспортния протеин и въздейства върху клетката. В този раздел ще бъде разгледано действието върху прицелните клетки само на тези сигнални молекули, които преминават през ЕЦТ (фиг. 1.29 А). ВИДОВЕ МЕЖДУКЛЕТЪЧНА СИГНАЛИЗАЦИЯ В зависимост от отдалечеността на прицелната клетка от секретиращата клетка, т. е. в зависимост от дължината на пътя, който сигналната молекула трябва да измине през ЕЦТ, различаваме 3 вида междуклетъчна сигнализация (ендокринна, паракринна и синаптична) и съответно 3 вида сигнални молекули (циркулиращи хормони, локални хормони и медиатори). ЕНДОКРИННА СИГНАЛИЗАЦИЯ Тя се нарича още дистантна сигнализация, тъй като между секретиращите и прицелните клетки има голямо разстояние. Сигналната молекула в този случай се нарича циркулиращ хормон. След като бъде секретиран, циркулиращият хормон попада в кръвта и благодарение на циркулацията на кръвта (т. е. чрез конвекция) достига до прицелните клетки. Разбира се, преди да навлезе в кръвта и след като излезе от нея хормонът изминава част от своя път чрез дифузия (фиг. 1.30 А). Преди да достигне до прицелните клетки циркулиращият хормон обикаля известно време с кръвта. Поради това ендокринната сигнализация се осъществява сравнително бавно. Тъй като тези хормони циркулират с кръвта в течение на няколко минути до няколко часа, ендокринната сигнализация е не само по-бавна, но и по-продължителна. Особено продължително е действието на воднонеразтворимите (хидрофобните) хормони – стероидните хормони продължават да действат няколко часа, а хормоните на щитовидната жлеза – няколко дни. И накрая, действието на циркулиращите хормони се отличава с малка селективност в смисъл, че те достигат до всички части на организма и действат на много прицелни клетки, имащи съответните рецептори. ПАРАКРИННА СИГНАЛИЗАЦИЯ Паракринна сигнализация наричаме въздействието върху клетки, които се намират в близост със секретиращата клетка (фиг. 1.30 Б). Сигналната молекула в този случай се нарича локален хормон. Ограниченото поле на действие на този хормон се дължи на неговия кратък живот (минути или дори секунди). Локалните хормони се разпространяват чрез дифузия, но не могат да стигнат далече, защото се поглъщат от съседните клетки, разграждат се от екстрацелуларните ензими или се задържат от екстрацелуларния матрикс. В сравнение с циркулиращите хормони действието на локалните хормони е по-бързо и по-селективно (засяга по-малък брой клетки). СИНАПТИЧНА СИГНАЛИЗАЦИЯ Този вид предаване на информация се осъществява в химичните синапси. Сигналната молекула в случая се нарича медиатор (фиг. 1.30 В). Синаптичната сигнализация 45 е най-бърза, най-краткотрайна и най-селективна. Тя е най-бърза, защото разстоянието между секретиращата и прицелната клетка е само 20-40 nm. Най-краткотрайна е, защото медиаторът се отстранява от синаптичната цепка в течение на една или няколко милисекунди. Синаптичната сигнализация е и най-селективна, защото секретиращата (пресинаптичната) клетка предава информация не само на една прицелна (постсинаптична) клетка, но дори на точно определена част от мембраната на постсинаптичната клетка. Фиг. 1. 30 Видове междуклетъчна сигнализация. А – ендокринна сигнализация. Б – паракринна сигнализация. В – синаптична сигнализация. АВТОКРИННА СИГНАЛИЗАЦИЯ Сигналното вещество, което една клетка секретира по принцип е предназначено за някакви други (прицелни) клетки. Някои секретиращи клетки обаче имат мембранни рецептори за сигналните молекули, които самите те секретират. След като тези молекули попаднат в ЕЦТ, те действат не само на съответните прицелни клетки, но и на клетката, която ги е секретирала. Това действие на сигналното вещество в “обратна” посока (върху секретиращата клетка) се нарича автокринна сигнализация. В редица слу- 46 чаи свързването на сигналните молекули с мембранните рецептори на клетката, която ги е секретирала води до намаляване на секрецията, т. е. автокринната сигнализация играе ролята на отрицателна обратна връзка, която регулира секрецията. Съществуват обаче и други ефекти от автокринното действие на някои локални хормони като например стимулиране на растежа и развитието на клетката. Автокринното действие на сигналните вещества не е междуклетъчна сигнализация в строгия смисъл на думата, тъй като в случая имаме само една клетка. Това по-скоро е явление, което съпътства междуклетъчната сигнализация и то не винаги. РЕЦЕПТОРНИ БЕЛТЪЦИ Независимо каква е сигналната молекула (циркулиращ хормон, локален хормон или медиатор) тя може да предаде информация само след като се свърже специфично с определен белтък на прицелната клетка. Този белтък се нарича рецептор на сигналната молекула. Рецепторният белтък може да бъде трансмембранен протеин на плазмалемата или да се намира вътре в клетката (в цитозола или в ядрото). Поради това различаваме мембранни рецептори, цитозолни рецептори и ядрени рецептори. Големите, водноразтворими сигнални молекули, адреналинът и норадреналинът не могат да минат през плазмалемата и затова те се свързват с мембранни рецептори. Сигналните молекули, които са малки и хидрофобни или за които съществува специален транспортен механизъм минават през клетъчната мембрана и се свързват с цитозолен или с ядрен рецептор. Тъй като задачата на сигналната молекула е да се свърже с рецепторния белтък, тя често се означава с думата лиганд. Свързването на този лиганд със съответния рецептор причинява конформационни промени на рецепторната молекула. В резултат на тези конформационни промени рецепторната молекула става активна (активира се), което означава, че тя може да въздейства върху други молекули на прицелната клетка, т. е. да предава по-нататък сигнала получен чрез лиганда. Рецепторът остава активен само докато лигандът е свързан с него – когато лигандът се отдели, рецепторът се инактивира. Поради това казваме, че всъщност активен е комплексът лиганд-рецептор. Казахме, че сигналната молекула (лигандът) се свързва специфично с определен рецепторен белтък, но тази специфичност не е абсолютна. От една страна някои рецептори могат да свързват два или повече лиганди, които имат сходна химична структура. От друга страна всяка сигнална молекула може да се свързва с няколко различни рецептора. Поради това броят на рецепторите е няколко пъти по-голям в сравнение с броя на известните сигнални молекули. Обикновено различните рецептори за един и същ лиганд се намират в различни клетки, но в някои случаи една клетка има два различни рецептора за един и същ лиганд. Така например гладкомускулните клетки на кръвоносните съдове имат 1- и 2-адренорецептори. Свързването на лиганда норадреналин с 1-рецепторите предизвиква съкращение, а свързването на същия лиганд с 2-рецепторите води до отпускане на мускулната клетка. От дадения пример се вижда още, че клетъчният отговор (реакцията на клетката на действието на лиганда) зависи не само от вида на сигналната молекула, но и от рецептора, който се свързва с нея. Сигналната молекула само активира рецептора, а какви промени ще настъпят в клетката зависи от това на какво ще въздейства активираният рецептор. МЕЖДУКЛЕТЪЧНА СИГНАЛИЗАЦИЯ С УЧАСТИЕТО НА ВЪТРЕКЛЕТЪЧНИ РЕЦЕПТОРИ Стероидните хормони, хормоните на щитовидната жлеза и ретиноидите имат сравнително малки и хидрофобни молекули, които могат да преминават през плазмалемата чрез проста дифузия или чрез преносители. 47 Стероидни наричаме хормоните, които се секретират от кората на надбъбречната жлеза, от половите жлези, както и агландуларния циркулиращ хормон калцитриол (Dхормон). Всички те са деривати на холестерола и имат сходна химична структура. Съвсем различни в химично отношение са хормоните на щитовидната жлеза (трийодтиронин и тетрайодтиронин). Те се синтезират от аминокиселината тирозин. Ретиноидите (например ретиноевата киселина) са производни на витамин А (ретинол). Те функционират главно като локални хормони и регулират клетъчното развитие. След като минат през плазмалемата, изброените сигнални вещества се свързват с вътреклетъчен рецепторен белтък. Рецепторният белтък за някои от тях (например за трийодтиронина) се намира в ядрото (ядрен рецептор) и е закачен за определен участък на ДНК. За да достигне до своя рецепторен белтък, трийодтиронинът преминава не само през плазмалемата, но и през ядрената мембрана. Когато прикрепеният към ДНК рецептор се свърже с трийодтиронина, той се активира (белтъчната молекула променя конфигурацията си). Тогава активираният рецептор въздейства върху ДНК и повлиява транскрипцията на специфични гени (фиг. 1.31). Рецепторните белтъци за други хормони (например за кортизола) не са свързани с ДНК, когато не са активни и “плуват” свободно в цитозола. Те се срещат и в ядрото, защото рецепторната молекула може да минава през ядрената мембрана. Молекулите на този вид рецептори също има участък, който може да се свързва с ДНК, но когато рецепторът не е активен (в нашия пример, когато няма кортизол), този участък е покрит от специален задръжен белтък. Задръжният белтък се нарича още “стресов протеин”, защото неговата концентрация в цитозола се повишава при стресови ситуации, например при повишаване на температурата на клетката. Когато хормонът се свърже със своя рецептор, конфигурацията на рецептора се променя и той се освобождава от задръжния белтък. Тогава комплексът хормон-рецептор се свързва с точно определен участък на ДНК и повлиява транскрипцията на специфични гени (фиг.1.32). Фиг. 1. 31 Междуклетъчна сигнализация с участието на ядрен рецептор. А – неактивният рецептор се намира в ядрото и е прикрепен към ДНК. Б – трийодтиронинът минава през плазмалемата, влиза в ядрото, свързва се с рецептора и го активира. 48 Следователно, независимо от това дали рецепторният белтък първо се свързва с ДНК и след това с хормона или обратното – първо с хормона и след това с ДНК, крайният резултат е един и същ – повлияване на генната транскрипция и посредством иРНК промяна на белтъчната синтеза в рибозомите. Обикновено синтезата на белтъци се засилва, но има и случаи, в които тя се подтиска. Белтъците, чиято синтеза се променя под действие на споменатите хормони, могат да бъдат ензими, каналчета, преносители, йонни помпи, структурни белтъци и др. Промяната на белтъчната синтеза по описания механизъм настъпва сравнително бавно – над половин час след преминаването на хормона през плазмалемата и както казахме по-горе, продължава дълго – часове и дори дни. Освен този бавен ефект някои от разгледаните хормони имат и бърз ефект върху прицелните клетки, който не се дължи на въздействие върху ДНК. Бързият ефект на тези хормони не е проучен достатъчно. Вероято той се дължи на свързването на хормоните с някакъв друг вид рецептори. Фиг. 1. 32 Междуклетъчна сигнализация с участието на цитозолен рецептор. А – в отсъствие на кортизол задръжният белтък покрива залавното място на рецептора и той не може да се свърже с ДНК. Б – кортизолът минава през плазмалемата и се свързва с рецептора. В резултат на това рецепторът променя своята конфигурация (активира се), освобождава се от задръжния белтък и се свързва с ДНК. УЧАСТИЕ НА АЗОТНИЯ ОКСИД И ВЪГЛЕРОДНИЯ ОКСИД В МЕЖДУКЛЕТЪЧНАТА СИГНАЛИЗАЦИЯ Азотният оксид (NO) се получава в редица клетки (например ендотелни, нервни и др.) при дезаминирането на аминокиселината аргинин. Тъй като неговата молекула е малка, той излиза чрез дифузия през плазмалемата, попада в ЕЦТ и действа върху съседните клетки. NO минава лесно през клетъчната мембрана на прицелната клетка и навлиза в цитозола. За разлика от другите сигнални молекули NO няма рецепторен белтък. Той действа директно върху разтворимата (а не мембранносвързаната) форма на ензима гуанилилциклаза и я активира. Активираната гуанилилциклаза синтези- 49 ра цикличен гуанозинмонофосфат (цГМФ), който повлиява някои процеси в прицелната клетка. За втория посредник цГМФ ще стане дума и по-нататък. NO може да действа само като локален хормон или медиатор, тъй като неговият живот е кратък – 10-15 s. Под действието на О2 и Н2О в ЕЦТ той бързо се превръща в нитрати и нитрити. Действието на цГМФ обикновено също е краткотрайно, защото той се разгражда от ензима цГМФ-фосфодиестераза. Подобно е действието и на въглеродния оксид (СО) – той също активира гуанилилциклазата, в резултат на което се получава цГМФ. МЕЖДУКЛЕТЪЧНА СИГНАЛИЗАЦИЯ С УЧАСТИЕТО НА МЕМБРАННИ РЕЦЕПТОРИ Мембранният рецептор представлява трансмембранен белтък на клетъчната мембрана. Хидрофилната му част, която прави контакт с ЕЦТ функционира като рецептор за определени сигнални молекули (лиганди). Свързването на лиганда с рецептора води до конформационни промени на цялата белтъчна молекула, които се наричат активиране на рецептора. Когато мембранният рецептор не е активен (когато не е свързан с лиганда), той не може да действа на други молекули. С изключение на йонотропните рецептори (виж по-долу), когато рецепторът се активира, неговата цитозолна хидрофилна част придобива способността да въздейства върху други белтъци и да променя тяхната функция. Така сигналът получен чрез лиганда се провежда към вътрешността на прицелната клетка. За разлика от сигналните молекули разгледани в предишната точка, лигандите, които се свързват с мембранни рецептори не могат да влизат в прицелната клетка – те достигат само до нейната повърхност. Всички водноразтворими сигнални молекули действат по този начин. Някои от тях са циркулиращи хормони, други са локални хормони, а трети – медиатори. В зависимост от механизма на провеждане на информацията, достигнала до повърхността на прицелната клетка, различаваме следните 3 вида мембранни рецептори: 1. Рецептор-каналче 2. Рецептор, свързан с G-протеин 3. Рецептор-ензим Съответно на това разглеждаме 3 типа междуклетъчна сигнализация с участието на мембранни рецептори. СИГНАЛИЗАЦИЯ ПОСРЕДСТВОМ РЕЦЕПТОР-КАНАЛЧЕ Рецептор-каналчето е сравнително голямо белтъчно образувание, което се състои от няколко субединици (най-често 5). Всяка субединица представлява трансмембранен белтък. Известни са голям брой различни субединици, всяка от които се кодира от различен ген. Външната хидрофилна част на някои субединици изпълвяна функцията на мембранен рецептор – тя може да се свързва специфично с определени лиганди (сигнални молекули). Субединиците на едно рецептор-каналче са подредени приблизително в кръг и ограждат йонно каналче. По-голямата част от субединиците не са рецептори и служат само за оформяне на каналчето (фиг. 1.33). При отсъствие на съответния лиганд йонното каналче е затворено. Когато лигандът се свърже с мембранния рецептор, настъпват конформационни промени на белтъците 50 изграждащи каналчето, в резултат на което то се отваря и през него преминават определени йони. След отстраняване на лиганда каналчето отново се затваря. Прието е рецепторната част на комплекса рецептор-каналче да се нарича йонотропен рецептор. Сигналните вещества, които могат да отварят рецептор-каналчета са ацетилхолин, и аминокиселините глицин, -аминомаслена киселина (-АМК) и глутаминова киселина (глутамат). Ацетилхолинът и глутаматът отварят неспецифични катионни ка+ + 2+ налчета, през които минават Na , К и Са , а -АМК и глицинът – хлорни каналчета. Изброените сигнални вещества са медиатори – те осъществяват синаптична сигнализация. Отварянето на каналчетата води до промяна на мембранния потенциал (Е m) на 2+ прицелната клетка, а навлизането на Са дава и някои допълнителни ефекти (виж понататък). Фиг. 1. 33 Надлъжен разрез на рецептор-каналче за медиатора ацетилхолин. А – в отсъствието на ацетилхолин каналчето е затворено. Б – ацетилхолинът се свързва с рецептора и каналчето се отваря. Има съществена разлика между йонотропните рецептори и следващите два вида мембранни рецептори. Сигналната функция на рецептор-каналчето се осъществява без участието на ензими. Както ще видим по-нататък, ефектът от активирането на другите два вида мембранни рецептори (рецептор свързан с G-протеин и рецептор-ензим) обикновено се постига чрез промяна на активността на някои ензими, което води до фосфорилиране (по-рядко дефосфорилиране) на определени клетъчни белтъци. СИГНАЛИЗАЦИЯ ПОСРЕДСТВОМ МЕМБРАННИ РЕЦЕПТОРИ, СВЪРЗАНИ С G-ПРОТЕИН Този вид мембранни рецептори са големи трансмембранни белтъци, чиято полипептидна верига преминава 7 пъти през двойния липиден слой. Хидрофилната част на белтъка, разположена в ЕЦТ се свързва със сигналната молекула (хормон или медиатор). В резултат на това свързване цялата белтъчна молекула (включително и цитозолната и част) търпи конформационни промени, които означаваме като активиране на мембранния рецептор. Когато рецепторният белтък е активиран, неговата хидрофилна част разположена в цитозола се свързва с определен вид G-протеин и му въздейства. 51 По този начин мембранният рецептор предава информацията получена от сигналната молекула към G-протеина, а той от своя страна я провежда по-нататък. Известни са над 100 различни мембранни рецептори от този вид, които се различават по лиганда, с който се свързват и по G-протеина, на който въздействат. Всички тези трансмембранни белтъци нямат никаква друга сигнална функция освен активирането на точно определен G-протеин. G-ПРОТЕИН С названието G-протеин означаваме белтъци, които могат да свързват гуанозинтрифосфат (ГТФ) и да го разграждат до ГДФ, т. е. имат гуанозинтрифосфатазна активност. Различаваме два вида G-протеини – тримерен G-протеин, който е хетеромер и мономерен G-протеин. Тримерният G-протеин е интегрален белтък, разположен по вътрешната повърхност на плазмалемата. Той се състои от 3 субединици, които се означават с , и . -субединицата е прикрепена чрез пренилова група към липидния слой. -субединицата може да се свързва с ГТФ и да го разгражда до ГДФ, който остава свързан с -субединицата (фиг. 1.34). Когато -субединицата е свързана с ГДФ, трите субединици са закачени една за друга и образуват едно цяло. Това е неактивната форма на G-протеина. Когато в резултат на латералната дифузия G-протеинът срещне своя мембранен рецептор и този рецептор е активиран (поради свързване със съответния лиганд), рецепторът въздейства върху G-протеина по алостеричен механизъм и афинитетът на G-протеина към ГДФ намалява, а към ГТФ се увеличава. В резултат на това ГДФ се отделя от -субединицата, а неговото място се заема от ГТФ. Когато -субединицата е свързана с ГТФ тя е активна, т. е. може за въздейства върху други белтъци и да променя тяхната функция. След активирането на G-протеина той се отделя от рецепторния белтък, а -субединицата се отделя от G-протеина и започва самостоятелно да дифундира. Другите две субединици ( и ) не се разделят, а дифундират заедно по повърхността на липидния слой. Главното участие на G-протеина в междуклетъчната сигнализация се изразява в алостерично действие на активираната -субединица върху някои мембранносвързани ензими (фиг. 1.34). В резултат на това тези ензими или увеличават или намаляват своята ензимна активност. Не бива обаче да се забравя, че комплексът от другите две субединици ( и ) на някои G-протеини също може да влияе на активността на ен+ зимите или да повишава пропускливостта на К -каналчета на плазмалемата. Известни са множество G-протеини, които се получават от комбинирането на 20 -, 4 - и 7 -субединици. Те се различават по своята аминокиселинна последователност, което се отразява и на тяхната функция. Някои -субединици повишават (стимулират) активността на ензима аденилилциклаза. Те се означават като s-субединици, а целият белтък – като Gs-протеин (фиг. 1.34). Други понижават (инхибират) активността на аденилилциклазата. Те се наричат Gi-протеин и i-субединица. Има G-протеини, които не действат на аденилилциклазата, а стимулират ензима фосфолипаза С- (виж по-нататък). Те се означават като Gq-протеин и q-субединица. В зрителните рецептори се среща Gt-протеин, наречен още трансдуцин, който активира ензима цГМФ-фосфодиестераза и по този начин намалява концентрацията на втория посредник цГМФ в цитозола. Съществуват и други видове G-протеини (Golf, Go и др.), на които тук няма да се спираме. 52 Когато -субединицата се свърже със съответния ензим, се получава всъщност взаимодействие – -субединицата въздейства върху ензима и променя неговата активност, но ензимът също въздейства върху -субединицата и повишава нейната ГТФазна активност. В резултат на това -субединицата разгражда ГТФ до ГДФ, което води до инактивирането й. Тогава тя се отделя от ензима и отново се свързва с ,-комплекса. Фиг. 1. 34 Функция на G-протеина 53 Както казахме, освен тримерен съществува и мономерен G-протеин (“малък” G-протеин), който се състои само от една полипептидна верига. Той също е прикрепен чрез пренилова група към вътрешната повърхност на плазмалемата. Подобно на тримерния G-протеин “малкият” G-протеин е активен, когато е свързан с ГТФ и се инактивира, когато разгради ГТФ до ГДФ. ГТФазната активност на мономерния Gпротеин обаче е около 100 пъти по-слаба. Поради това той може да остане продължително време активен (свързан с ГТФ). За да се ускори инактивирането на мономерния G-протеин, в цитозола съществува специален белтък, който му въздейства и повишава неговата ГТФазна активност. Друг регулаторен белтък улеснява активирането на G-протеина (замяната на ГДФ с ГТФ). Активността на тези два белтъка се управлява от друг вид мембранносвързани ензими, за които ще стане дума по-нататък (например, тирозинкиназата). Мономерният G-протеин участва в провеждането на сигнала достигнал до повърхността на плазмалемата към вътрешността на клетката. Известни са различни мономерни G-протеини. Някои от тях регулират растежа и развитието на клетките, други везикуларния транспорт и т. н. АДЕНИЛИЛЦИКЛАЗА, цАМФ И ПРОТЕИНКИНАЗА А 1. Аденилилциклаза. Ензимът аденилилциклаза е трансмембранен протеин, чиято полипептидна верига пробожда 12 пъти двойния липиден слой на плазмалемата. Фиг. 1. 35 Активиране на аденилилциклазата и синтеза на цАМФ от АТФ. По цитозолната повърхност на този белтък има 2 активни центъра, които катализират синтезата на цАМФ от АТФ (фиг. 1.35). Ензимната активност значително се повишава, когато аденилилциклазата се свърже с активираната s-субединица на съответния Gs-протеин. Известни са поне 6 вида аденилилциклази (тип І – VІ). За аденилилциклазата тип І, която се среща главно в мозъка е характерно, че може да се активира и от комплекса 2+ Са -калмодулин. Активността на аденилилциклазата се понижава, когато s-субединицата се отдели от нея или когато ензимът се свърже с активираната i-субединица на съответния Gi-протеин. Обикновено аденилилциклазата остава активна няколко секунди. През това време тя синтезира голям брой молекули цАМФ. 54 2. Цикличен аденозинмонофосфат (цАМФ). цАМФ се нарича втори посредник, защото той предава информацията от плазмалемата към вътрешността на клетката. Сигналната молекула, която идва от ЕЦТ и се свързва с мембранния рецептор представлява първият посредник. Нормално в цитозола винаги има известно количество цАМФ (концентрация около -7 10 mol/l). цАМФ непрекъснато се синтезира от аденилилциклазата и се разгражда от ензима цАМФ-фосфодиестераза. Концентрацията на цАМФ в цитозола зависи от съотношението между активностите на тези два ензима. В повечето случаи концентрацията на цАМФ се регулира чрез повишаване или понижаване на активността на аденилилциклазата, а не чрез промяна на активността на фосфодиестеразата. Концентрацията на цАМФ се променя сравнително бързо – при активиране на аденилилциклазата (от Gs-протеина) тя може да се повиши 5 пъти в течение на 1 s. цАМФ има едно единствено действие – той се свързва с ензима протеинкиназа А и го активира. цАМФ има само едно допълнително действие – в някои обонятелни ре+ цептори той се свързва с Na -каналчета на клетъчната мембрана и ги отваря. 3. Протеинкиназа А. Протеинкиназа А е белтък разположен в цитозола. В своята неактивна форма протеинкиназа А се състои от 4 субединици – 2 каталитични и 2 регулаторни (фиг. 1.36). Всяка регулаторна субединица може да свързва две молекули цАМФ. Когато протеинкиназа А свърже 4 молекули цАМФ, двете каталитични единици се активират и се отделят. Те дифундират самостоятелно в цитозола и могат да влизат и в ядрото. Фиг. 1. 36 Активиране на протеинкиназа А от цАМФ. Активната протеинкиназа А фосфорилира определени белтъци в цитозола или в ядрото – тя взема от АТФ крайната фосфатна група и я свързва ковалентно с остатъка от аминокиселината серин или треонин. Фосфорилирането на белтъците е един от начините за промяна на тяхната функция. Ако този белтък е ензим, фосфорилирането води до промяна на неговата ензимна активност, а ако е йонно каналче, се променя йонната пропускливост на клетъчната мембрана. Когато протеинкиназа А влезе в ядрото, тя може да фосфорилира някои регулаторни белтъци и по този начин да активира транскрипцията на специфични гени. Фосфорилирането на белтъците е последният етап от провеждането на сигнала който носи сигналната молекула. Променената функция на фосфорилираните белтъци 55 е реакцията (отговора) на клетката на този сигнал. Важно е тази реакция да бъде сравнително краткотрайна. Поради това фосфорилираните белтъци се дефосфорилират от ензима протеинфосфатаза. Клетките имат различни видове протеинфосфатази. Продължителността на клетъчната реакция зависи от съотношението между активността на протеинкиназата и тази на съответната протеинфосфатаза. ФОСФОЛИПАЗА С, ИНОЗИТОЛТРИФОСФАТ, ДИАЦИЛГЛИЦЕРОЛ И ПРОТЕИНКИНАЗА С 1. Фосфолипаза С-. Повече от 25 различни мембранни рецептори след като бъдат активирани от съответния хормон или медиатор се свързват не с Gs- или Gi-протеина, а с друг тримерен G-протеин, наречен Gq-протеин. Неговата q-субединица си взаимодейства с мембранносвързания ензим фосфолипаза С-, в резултат на което този ензим се активира. Активната фосфолипаза С- действа на мембранния фосфолипид фосфатидилинозитол бисфосфат и го разгражда до инозитолтрифосфат (ИТФ) и диацилглицерол (ДАГ). Фосфолипидът фосфатидилинозитол бисфосфат се среща сравнително рядко само във вътрешния лист на двойния липиден слой на плазмалемата. И двете вещества, които се получават при неговото разграждане (ИТФ и ДАГ) действат като втори посредници (фиг. 1.37). 2. Инозитолтрифосфат (ИТФ). ИТФ се отделя от плазмалемата, дифундира в 2+ цитозола и се свързва с ИТФ-зависими Са -каналчета на ендоплазмения ретику2+ лум на клетката. В резултат на това тези каналчета се отварят, Са излиза от ендоплазмения ретикулум и концентрацията му в цитозола значително се повишава. Нор-7 2+ мално тази концентрация е доста ниска (около 10 mol/l), но при излизане на Са от ретикулума тя може да се повиши от няколко пъти до няколко десетки пъти. В случая 2+ Са действа като трети посредник. Той може да се свързва с редица белтъци и да при2+ чинява конформационни промени в тяхната молекула. Ролята на Са като втори (или трети) посредник ще бъде разгледана подробно по-нататък. Действието на ИТФ е краткотрайно, защото в цитозола той се дефосфорилира 2+ от съответна фосфатаза, а Са се изпомпва обратно в ендоплазмения ретикулум или към ЕЦТ. 3. Диацилглицерол (ДАГ). Другият продукт от действието на фосфолипаза С- – ДАГ дифундира в границите на вътрешния лист на двойния липиден слой и взема участие в активирането на ензима протеинкиназа С. 4. Протеинкиназа С. Съществуват няколко вида (поне 8) протеинкинази, които 2+ могат да бъдат активирани само при повишена концентрация на Са в цитозола, но без участието на калмодулина (виж по-нататък). Те се означават като протеинкинази С. Около половината от тях се активират от ДАГ. Неактивната протеинкиназа С се нами2+ ра в цитозола. Повишената концентрация на Са причинява промени в нейната молекула, вследствие на което тя прилепва към вътрешната повърхност на двойния липиден 2+ слой. Тогава в резултат на комбинираното действие на ДАГ, Са и мембранния фосфолипид фосфатидилсерин протеинкиназа С се активира. Активната протеинкиназа С фосфорилира серинови или треонинови аминокиселинни остатъци на определени белтъци. Тези белтъци могат да бъдат ензими, регулаторни протеини или йонни каналчета на плазмалемата (например при невроните). В резултат на фосфорилирането ензимите променят своята активност, а йонните каналче- 56 та – своята пропускливост. Някои от тези фосфорилирани ензими могат да влизат в ядрото и да активират транскрипцията на специфични гени. ДАГ се метаболизира сравнително бързо, в резултат на което протеинкиназа С се инактивира. Фиг. 1. 37 Активиране и действие на фосфолипаза С-. Действие на вторите посредници ИТФ и ДАГ РОЛЯТА НА Са 2+ 2+ В МЕЖДУКЛЕТЪЧНАТА СИГНАЛИЗАЦИЯ -7 Концентрацията на Са се поддържа ниска (около 10 mol/l) благодарение на неп2+ 2+ рекъснатото действие на Са -помпа на плазмалемата, Са -помпа на ендоплазмения + 2+ ретикулум и 3Na -1Са -антипорт на плазмалемата, който се среща главно при мускулните и нервните клетки. 2+ Повишаване на концентрацията на Са в цитозола може да се получи в резултат на 2+ 2+ излизане на Са от ендоплазмения ретикулум или чрез навлизане на Са от ЕЦТ. 57 2+ Са участва в междуклетъчната сигнализация като втори, а понякога и като трети 2+ посредник. Съществуват следните няколко механизма, по които Са повлиява функцията на клетъчните белтъци: 2+ 1. Са може да действа директно върху някои регулаторни протеини (тропонин), ензими (протеинкиназа С) или каналчета (рианодинови рецептори на цистерните в 2+ миокарда). Свързването на Са с тези белтъци води до промяна на тяхната конфигурация, вследствие на което се променя и функцията им. 2+ 2. Много от действията на Са се осъществяват посредством белтъка калмодулин. Калмодулин съдържат всички клетки на човешкия организъм. Този белтък се състои от една полипептидна верига, която в средната си част образува -спирала, а в двата си края завършва с глобуларни участъци (фиг. 1.38). Всеки глобуларен участък може 2+ 2+ да свързва по 2 Са . Свързването на Са води до конформационни промени в молеку- 2+ Фиг. 1. 38 Активиране на калмодулина в резултат на свързването му с Са . 2+ лата на калмодулина, които означаваме като активиране. Комплексът 4Са -калмодулин няма ензимна активност, но той може да се свързва с други белтъци и по алостеричен механизъм да променя тяхната функция. 2+ а) Някои от ефектите на калмодулина са директни. Например, комплексът 4Са 2+ калмодулин може да се свърже с Са -АТФаза на плазмалемата и да засили изпомпва2+ нето на Са от цитозола към ЕЦТ. б) В повечето случаи обаче крайният ефект от действието на активния калмодулин 2+ се постига чрез фосфорилиране на белтъците. За тази цел комплексът 4Са -калмодулин се свързва с определен вид протеинкинази, активира ги, а те от своя страна фосфорилират серинови или треонинови остатъци на белтъците. Тези протеинкинази се 58 различават от разгледаните досега (протеинкиназа А и протеинкиназа С) и се означават 2+ като Са -калмодулинзависими протеинкинази (СаМ-протеинкинази). Както при другите протеинкинази ефектът от действието на СаМ-протеинкиназите се премахва от съответни протеинфосфатази, които дефосфорилират белтъците. Силата и продължителността на действието на СаМ-протеинкиназата зависи от съотношението между нейната активност и тази на протеинфосфатазата. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ РАЗЛИЧНИТЕ СИГНАЛНИ ПЪТИЩА Разгледахме 3 различни пътя, по които сигналите достигнали до рецепторите на плазмалемата се провеждат посредством различни тримерни G-протеини към вътрешността на клетката. Всеки от тези пътища минава през различни втори посредници и води до активирането на някаква протеинкиназа: пътят, който минава през цАМФ во2+ ди до активиране на протеинкиназа А; пътят, който минава през ИТФ, Са и ДАГ – до 2+ активиране на протеинкиназа С, а този, който минава през Са и калмодулин – до активиране на СаМ-протеинкиназа. Трите пътя не са напълно изолирани и независими един от друг – между тях се наблюдават редица взаимодействия, т. е. често сигналните пътища се кръстосват. Както казахме, активираните протеинкинази фосфорилират определени белтъци в клетката и по този начин променят тяхната функция. Самата протеинкиназа обаче може също да бъде фосфорилирана от друг вид протеинкиназа, което води до промяна в нейната активност. Така например, една от причините за съкращението на гладките мускули е фосфорилирането на миозиновите глави от ензима миозинкиназа. Миозин2+ киназата се активира от комплекса 4Са -калмодулин, т. е. тя е СаМ-протеинкиназа. Тя може да бъде фосфорилирана, но от протеинкиназа А, което води до понижаване на активността на миозинкиназата и съответно до отпускане на гладкия мускул. В друг случай две различни протеинкинази (например протеинкиназа А и СаМпротеинкиназа) фосфорилират една и съща белтъчна молекула на две различни 2+ места, т. е. двата сигнални пътя (пътят през цАМФ и този през Са и калмодулин) конвергират. Трети пример на взаимодействие между сигналните пътища е аденилилциклазата тип І, която се среща главно в нервните клетки (в мозъка) и която се активира не само 2+ от Gs-протеина, но и от комплекса 4Са -калмодулин. По-нататък ще срещнем и други случаи на взаимодействие между различните сигнални пътища. СИГНАЛИЗАЦИЯ ПОСРЕДСТВОМ РЕЦЕПТОР-ЕНЗИМИ Този вид мембранни рецептори са също трансмембранни белтъци, които обаче пробождат еднократно двойния липиден слой (имат само един трансмембранен сегмент). Хидрофилната част на полипептидната верига, която се намира в ЕЦТ функционира като рецептор за определени сигнални молекули, а хидрофилната част разположена в цитозола функционира като ензим. В резултат на свързването на рецепторната част със съответния хормон цялата молекула на рецептор-ензима променя конфигурацията си, в резултат на което ензимът се активира. В повечето случаи конформационните промени на рецептор-ензима са значителни и включват димеризация на белтъчната молекула. При една част от рецептор-ензимите крайният ефект от сигнализацията е фосфорилиране на серинови или треонинови аминокиселинни остатъци в молекулата на съ- 59 ответния белтък, т. е. те действат подобно на разгледаните до тук протеинкиназа А, протеинкиназа С и СаМ-протеинкиназа. Такива са рецептор-гуанилилциклазата и рецептор-серин/треонинкиназата. По-голямата част от рецептор-ензимите обаче са свързани с фосфорилиране или дефосфорилиране на тирозинови остатъци в белтъчната молекула. Към тази група спадат рецептор-тирозинкиназата, рецептори асоциирани с тирозинкиназа и рецептор-тирозинфосфатазата. РЕЦЕПТОР-ГУАНИЛИЛЦИКЛАЗА Цитозолната част на този трансмембранен белтък е ензим, който за разлика от другите рецептор-ензими не действа директно върху белтъците, а катализира синтезата Фиг. 1. 39 Получаване на цГМФ чрез активиране на рецептор-гуанилилциклазата на втория посредник цикличен гуанозинмонофосфат (цГМФ) от ГТФ (фиг. 1.39). Подобно на цАМФ той се свързва с определени протеинкинази, наречени протеинкинази G и ги активира. За разлика от протеинкиназа А, която има 4 субединици (2 регулаторни и 2 каталитични), протеинкиназа G представлява единична полипептидна верига, която има един регулаторен и един каталитичен участък. Активната протеинкиназа G фосфорилира серинови или треонинови остатъци в молекулата на определени белтъци и така променя тяхната функция. + Подобно на цАМФ, цГМФ също отваря Na -каналчета на плазмалемата, но не в обонятелните, а в зрителните рецептори (пръчиците и колбичките). 60 цГМФ се разгражда от ензима цГМФ-фосфодиестераза. Силата и продължителността на действието на цГМФ зависи от съотношението между активността на рецептор-гуанилилциклазата и тази на цГМФ-фосфодиестеразата. Въпреки че активността на гуанилилциклазата не се регулира чрез G-протеин, Gt-протеинът (трансдуцин) може да понижи концентрацията на цГМФ в зрителните рецептори като активира цГМФфосфодиестеразата. Най-важният лиганд, който активира рецептор-гуанилилциклазата е атриалният натриуретичен пептид (АНП). Съществува и разтворима форма на гуанилилциклазата, която се намира в цитозола. Тя се активира от NO и за нея вече стана дума. РЕЦЕПТОР-СЕРИН/ТРЕОНИНКИНАЗА Цитозолната част на този рецептор-ензим е протеинкиназа. Когато тази киназа се активира (в резултат на свързването на рецепторната част със съответния лиганд), тя фосфорилира серинови или треонинови аминокиселинни остатъци в молекулата на определени протеини. РЕЦЕПТОР-ТИРОЗИНКИНАЗА За разлика от всички разгледани досега протеинкинази, цитозолната част на този трансмембранен белтък е тирозинкиназа. Когато този ензим се активира, той фосфорилира първо собствените си тирозинови остатъци (автофосфорилиране). Фосфорилираният тирозин на тирозинкиназата служи като залавно място за определени белтъци намиращи се в цитозола. След като тези белтъци се закачат за фосфотирозина, тирозинкиназата фосфорилира и някои от техните тирозинови остатъци, в резултат на което белтъците променят своята функция. Чрез активиране на рецептор-тирозинкиназата действат повечето растежни фактори и инсулинът. Тези лиганди се свързват с рецепторната част на рецептор-ензима, за която е характерно, че е сравнително голяма и гликозилирана. Образуването на лиганд-рецепторен комплекс води до значителни промени в структурата на рецептор-тирозинкиназата, което води до създаването на условия за автофосфорилиране. РЕЦЕПТОР АСОЦИИРАН С ТИРОЗИНКИНАЗА В случая имаме не една белтъчна молекула, единият край на която функционира като рецептор, а другият – като ензим, а две отделни полипептидни вериги, които могат да се свързват чрез нековалентни връзки и да си взаимодействат. Едната молекула е трансмембранен белтък, чиято екстрацелуларна част представлява мембранен рецептор. Цитозолната част на този белтък няма ензимна активност. Другата белтъчна молекула е тирозинкиназа, която е прикрепена към вътрешната повърхност на двойния липиден слой. Когато външната част на мембранния рецептор се свърже със съответния лиганд, а вътрешната му част – с ензима, рецепторната молекула активира тирозинкиназата, а тя от своя страна фосфорилира тирозиновите остатъци на определени белтъци. Посредством свързаната с рецептор тирозинкиназа действат редица локални хормони наречени цитокини, които регулират пролиферацията и диференциацията на клетките в хемопоетичната система, а така също растежният хормон и пролактина. 61 Мембранните рецептори, които се намират по повърхността на лимфоцитите и се свързват с определени антигени също образуват комплекс с ензима тирозинкиназа. РЕЦЕПТОР-ТИРОЗИНФОСФАТАЗА Фосфорилираните тирозинови остатъци имат кратък живот – те бързо се дефосфорилират от съответни тирозинфосфатази. Има много видове тирозинфосфатази. Някои от тях са разтворени в цитозола, а други представляват цитозолната част на трансмембранен рецептор-ензим, наречен рецептор-тирозинфосфатаза. Активността на рецептор-тирозинфосфатазата се регулира от определени сигнални вещества, които идват от ЕЦТ. Трябва да се има пред вид, че не винаги фосфорилирането на един ензим води до повишаване на неговата активност. В редица случаи се наблюдава точно обратното – фосфорилирането понижава, а дефосфорилирането повишава активността на ензима. Ето защо свързването на лиганда с рецептор-тирозинфосфатазата може да доведе до активиране на някои вътреклетъчни ензими. По-горе ние разгледахме един пример, при който фосфорилирането на един ензим води до намаляване на неговата активност – фосфорилирането на миозинкиназата в гладките мускули (от протеинкиназа А) понижава нейната активност и мускулът се отпуска. ___________________________________________ Във връзка с междуклетъчната сигнализация, при която сигналната молекула се свързва с мембранен рецептор на прицелната клетка могат да се направят следните обобщения: І. Втори посредници се използват само когато междуклетъчната сигнализация се осъществява с участието на G-протеин или когато се активира гуанилилциклазата. По-важни втори посредници са: 1. цАМФ (цикличен аденозинмонофосфат). 2. ИТФ (инозитолтрифосфат). 3. ДАГ (диацилглицерол). 4. цГМФ (цикличен гуанозинмонофосфат). Този втори посредник се получава при директното активиране (без посредничеството на G-протеин) на мембранносвързаната или на разтворената в цитозола гуанилилциклаза. 2+ 5. Са (понякога действа и като трети посредник, например когато излизането му от ендоплазмения ретикулум се причинява от втория посредник ИТФ). ІІ. В повечето случаи активирането на рецепторите свързани с G-протеин и на рецептор-ензимите води до активиране на определени протеинкинази, които фосфорилират някои клетъчни белтъци. 1. Протеинкиназите, които се активират с участието на G-протеин са: а) Протеинкиназа А. б) Протеинкиназа С. 62 в) СаМ-протеинкиназа (СаМ-протеинкиназите могат да се активират и без 2+ участието на G-протеин, например когато Са идва от ЕЦТ в резултат 2+ на отваряне на Са -каналчета на плазмалемата). 2. Протеинкиназите, които се активират в резултат на свързването на лиганда с рецептор-ензим (без посредничеството на G-протеин) са: а) Протеинкиназа G (активира се от втория посредник цГМФ). б) Рецептор-серин/треонинкиназа (активира се директно от лиганда без втори посредник). в) Рецептор-тирозинкиназа (активира се директно от лиганда без втори посредник). г) Тирозинкиназа асоциирана с рецептор (активира се директно от рецептора без втори посредник). ІІІ. Повечето протеинкинази (протеинкиназа А, протеинкиназа С, СаМ-протеинкиназа, протеинкиназа G и рецептор-серин/треонинкиназата) фосфорилират серинови или треонинови аминокиселинни остатъци на съответните протеини. Само рецептортирозинкиназата и тирозинкиназата асоциирана с рецептор фосфорилират тирозинови остатъци на белтъците. ІV. Въпреки че в много от случаите крайният ефект от действието на сигналните молекули се постига чрез фосфорилиране или дефосфорилиране на клетъчните белтъци, не бива да се забравя, че някои ефекти на междуклетъчната сигнализация се получават без фосфорилиране, например в резултат на директното действие на лиганда (при рецептор-каналчетата), на G-протеина или на втория посредник. АДАПТАЦИЯ НА ПРИЦЕЛНИТЕ КЛЕТКИ Силата на реакцията на прицелната клетка в отговор на въздействието на някакво сигнално вещество зависи от 1) концентрацията на сигналното вещество в ЕЦТ, заобикаляща прицелната клетка, 2) продължителността на въздействието и 3) чувствителността на клетката към сигналните молекули. Чувствителността на прицелната клетка не е постоянна величина. Тя зависи както от количеството на нейните рецептори, така също и от количеството на останалите молекули които провеждат информацията по съответния сигнален път (G-протеин, аденилилциклаза и т. н.). Освен това чувствителността зависи и от способността на белтъчните молекули, ангажирани с провеждането на сигнала да се активират и да си взаимодействат. Тази способност може да бъде променена, например чрез фосфорилиране на тези молекули. Прицелните клетки имат механизми, чрез които могат да понижават чувствителността си към даден лиганд, когато концентрацията на този лиганд в ЕЦТ се задържи продължително време висока. Това понижаване на чувствителността се нарича адаптация на прицелната клетка към лиганда. Адаптацията винаги се развива с известно закъснение. Поради това непосредствено след повишаването на концентрацията на лиганда (преди да започне адаптацията) прицелната клетка реагира силно. След известно време (когато чувствителността се по- 63 нижи), реакцията на клетката постепенно отслабва, въпреки че концентрацията на лиганда в ЕЦТ остава висока. Адаптацията е обратима промяна на чувствителността – известно време след нормализиране на концентрацията на лиганда в ЕЦТ прицелната клетка отново повишава своята чувствителност към него. МЕХАНИЗМИ НА АДАПТАЦИЯТА Някои механизми на адаптация намаляват броя на молекулите, участващи в приемането и провеждането на сигнала, а други механизми засягат способността на отделни звена от сигналната верига да провеждат информация. АДАПТАЦИЯ, КОЯТО СЕ ДЪЛЖИ НА ПРОМЕНИ В МЕМБРАННИТЕ РЕЦЕПТОРИ Различаваме два вида механизми на адаптацията, която се осъществява чрез промени в мембранните рецептори на прицелната клетка – бързи механизми и бавни механизми. 1. Бързи механизми на адаптация. Както казахме, протеинкиназите фосфорилират определени белтъци с цел провеждане на информацията по-нататък по сигналната верига. Редица протеинкинази обаче имат и “възвратно” действие като фосфорилират цитозолната част на активираните мембранни рецептори. При това протеинкиназата фосфорилира само рецепторите на “своята” сигнална верига, т. е. този вид рецептори, чието свързване с лиганда води в крайна сметка до активиране на разглежданата протеинкиназа. Фосфорилираният мембранен рецептор не може да активира Gпротеина и следователно не може да предаде информацията, която идва от ЕЦТ. Когато концентрацията на сигналното вещество в ЕЦТ остане висока продължително време, се активират много протеинкиназни молекули, а те от своя страна блокират (чрез фосфорилиране) значителна част от мембранните рецептори. В резултат на това чувствителността на прицелната клетка към съответния лиганд намалява, т. е. развива се адаптация. За разлика от бавните механизми на адаптация (виж по-долу), тук няма намаляване на общото количество на даден вид рецептори в плазмалемата – намалява само броят на функционално годните рецептори. Описаното блокиране на част от рецепторните молекули се получава сравнително бързо – няколко минути след повишаването на концентрацията на лиганда в ЕЦТ. 2. Бавни механизми на адаптация. Бавната адаптация се получава в резултат на намаляване на броя на мембранните рецептори от даден вид. Тази адаптация се развива в течение на няколко часа след повишаването на концентрацията на лиганда в ЕЦТ. След свързването на лиганда с мембранния рецептор в много случаи комплексът лиганд-рецептор се поглъща от прицелната клетка (интернализира се) чрез ендоцитоза и попада в ендозомите. Там рецепторът обикновено се отделя от лиганда и техните пътища се разделят – лигандът попада в лизозомите и се разгражда, а рецепторът се връща в плазмалемата за повторна употреба. Малка част от рецепторите не успяват да се освободят от своя лиганд и се разграждат заедно с него в лизозомите. Въпреки това разграждане, при умерени концентрации на лиганда в ЕЦТ броят на мембранните рецептори не намалява, защото клетката непрекъснато синтезира нови рецепторни молекули. Когато концентрацията на лиганда в ЕЦТ се запази продължително време висока, се активират и съответно поглъщат голяма част от мембранните рецептори. Броят 64 на рецепторите, които се разграждат заедно с лиганда също се увеличава и той става по-голям от този на новосинтезираните рецепторни молекули. Това води до постепенно намаляване на общия брой на разглежданите мембранни рецептори в плазмалемата, в резултат на което чувствителността на прицелната клетка към съответния лиганд намалява. АДАПТАЦИЯ, КОЯТО НЕ ЗАСЯГА МЕМБРАННИТЕ РЕЦЕПТОРИ Въпреки че адаптацията в повечето случаи се осъществява чрез промяна на рецепторните белтъци, прицелните клетки имат и други възможности за понижаване на своята чувствителност към даден лиганд. Когато са подложени на продължително и силно въздействие с определени сигнални вещества, някои клетки реагират не чрез промяна на броя на мемранните рецептори, а чрез намаляване или увеличаване на количеството на други белтъци, които се нареждат по сигналната верига след рецепторите (например G-протеин, аденилилциклаза, протеинкиназа А). Скоростта на този вид адаптация е междинна – тя се проявява над половин час след повишаването на концентрацията на лиганда в ЕЦТ. МЕМБРАНЕН ПОТЕНЦИАЛ Терминът “мембранен потенциал” (Еm) е едно съкратено название, от което не се разбира, за какво точно става дума. В случая се касае за електричен потенциал и то не за потенциала в една точка на електричното поле, а за потенциална разлика между два йонни разтвора, разделени от полупропусклива мембрана. Следователно, под “мембранен потенциал” трябва да разбираме “трансмембранна електрична потенциална разлика”, а тъй като електричната потенциална разлика се нарича електрично напрежение, бихме могли да кажем “трансмембранно електрично напрежение”. Названието “мембранен потенциал” обаче е кратко и поради това е по-удобно за употреба. + - Фиг. 1. 40 Разтвор А и разтвор Б са разделени от мембрана, която пропуска Na и Cl , но поради равните концентрации през мембраната не преминават чисти (нето) йонни потоци. Двата разтвора са електронеутрални и между тях не съществува потенциална разлика. 65 Ако разтворим някакъв електролит (например, NaCl) във вода, ще се извърши електролитна дисоциация, в резултат на което ще се получат свободни натриеви катио+ ни (Na ) и хлорни аниони (Cl ). В такъв разтвор броят на катионите е равен на броя на анионите – казваме, че разтворът е електронеутрален. Ако една мембрана разделя два електронеутрални разтвора (разтвор А и разтвор Б на фиг. 1.40), между тях не съществува потенциална разлика, т. е. Еm = 0 mV. За да се получи електрична потенциална разлика между двата разтвора, трябва да се извърши разделяне на катиони от аниони, например, част от натриевите катиони трябва да преминат през мембраната от разтвор А към разтвор Б (фиг 1.41), без да бъдат последвани от хлорните аниони. Тъй като анионите и катионите се привличат, при тяхното разделяне се извършва работа, за което е необходима енергия. За разделянето на разноименните йони може да се използва 2 вида енергия: 1) В единия случай се използва енергията на концентрационната разлика между двата разтвора; 2) В другия случай пренасянето на катионите през мембраната се извършва от йонни помпи (например Na+- К+-помпа), които използват енергията на АТФ. Съответно на това имаме два начина за получаване на трансмембранна потенциална разлика (Em). За да възникне Em по първия начин (чрез използване на енергията на по-голямата концентрация) са необходими 2 условия: 1) йонните концентрации на двата разтвора, разделени от мембраната да са различни (да съществува концентрационен градиент) и 2) пропускливостта на мембраната за отделните видове йони да е различна. Концентрационният градиент поражда дифузия през мембраната само (или предимно) на един вид йони. Чрез дифузията част от катионите се разделят от анионите и възниква Em. Такава потенциална разлика между двата разтвора, която е резултат от йонна дифузия се нарича дифузионен потенциал. ДИФУЗИОННИ ПОТЕНЦИАЛИ За получаването на дифузионни мембранни потенциали могат да се използват както изкуствени мембрани, така също и мембрани на клетки, които имат йонни помпи, но тези помпи не работят, например, поради липса на АТФ. В зависимост от йонния състав на двата разтвора и пропускливостта на мембраната, могат да се опишат различни случаи на получаване на дифузионни потенциали. Поизвестни са следните три дифузионни потенциала: потенциал на Нернст, потенциал на Донан и потенциал на Ходчкин-Кац. Никой от тези потенциали не е равен на Еm на плазмалемата при нормалната жива клетка, но запознаването с механизмите на тяхното възникване може да ни помогне за по-доброто разбиране на особеностите на Em на клетъчната мембрана. ПОТЕНЦИАЛ НА НЕРНСТ Потенциал на Нернст (Nernst) се нарича този дифузионен потенциал, който се получава, когато мембраната е пропусклива само за един вид йони и тези йони имат различни концентрации в двата разтвора, разделени от мембраната. На фиг. 1.41 разтвор А има концентрация на NaCl 200 mmol/l, а разтвор + Б – 100 mmol/l. Мембраната е пропусклива само за Na . Веднага след наливането на разтворите от двете страни на мембраната натриевите катиони започват бързо да дифундират през мембраната от разтвор А към разтвор Б (фиг 1.41-1). В резултат на това катионите в разтвор А намаляват и той се зарежда отрицателно (вече не е електронеутрален), а в разтвор Б катионите стават повече от анионите и той се зарежда положително. По този начин възниква електрична потенциална разлика (Em) между двата разтвора. + В самото начало на разглежданото явление Na се движи само под действие на концентрационния + градиент. След преминаването на първите количества Na възниква и електричен градиент, който тласка + Na обратно към разтвор А, т. е. пречи на дифузията. Докато Еm е по-малък от равновесния потенциал на 66 + + Na (ENa+) дифузията продължава и Em расте. Когато Em стане равен на ENa+, дифузията на Na през мембраната спира или по-точно натриевият поток, причинен от концентрационния градиент става равен по големина на натриевия поток предизвикан от електричния градиент (от Em), но има обратна посока (фиг. 1.41-2). В това състояние (без да се променят концентрациите на йоните и стойността на Em) системата може да остане неограничено дълго време, като за запазването на това постоянство не е необходим приток на енергия отвън. Ето защо това състояние се нарича равновесно състояние (имаме термодинамично равновесие). Относно процесите разгледани по-горе могат да се направят следните уточнения: + 1. Достигането до равновесно състояние става много бързо – от началото на дифузията на Na до момента, в който Em се изравни с ENa+ изминава по-малко от 1 s. Все пак това време зависи от пропускли+ востта на мембраната за Na и при достатъчно пропусклива мембрана може да спадне под 1 ms. + 2. Преминаването на Na от разтвор А към разтвор Б практически не води до промени в йонните концентрации, тъй като за възникването на Em е необходимо да премине през мембраната такова коли+ чество Na , което е пренебрежимо малко в сравнение с общия брой на натриевите катиони в разтвора. 3. След като минат през мембраната, по-голямата част от натриевите катиони остават близо до нея, защото анионите (Cl ) от разтвор А ги привличат – картината прилича на кондензатор. Фиг. 1. 41 Възникване на потенциала на Нернст. Даден е само чистият (нето) йонен поток. 67 При разгледания дифузионен механизъм възникналият мембранен потенциал (Em) расте докато се + изравни с равновесния потенциал за Na при използваните концентрации на NaCl (в случая 200 mmol/l и 100 mmol/l). Ето защо максималната стойност, която Em достига може да се изчисли по познатото ни уравнение на Нернст за равновесния потенциал: RT Na+A Na+A 200 Еm = ENa+ = ln = 61 lg = 61 lg = 18,4 mV zF Na+Б Na+Б 100 ПОТЕНЦИАЛ НА ДОНАН Отново използваме горните два разтвора (разтвор А с концентрация на NaCl 200 mmol/l и разтвор Б с концентрация на NaCl 100 mmol/l) разделени от полупропусклива мембрана, но този път имаме следните 3 допълнителни условия: + 1) Мембраната е пропусклива не само за Na , но и за Cl . 2) Към разтвор Б прибавяме някаква друга натриева сол (NaA) в такова количество, че да се получи концентрация на NaA равна на 100 mmol/l. Тази сол има висока степен на електролитна дисоциация и + дава допълнително 100 mmol/l Na и 100 mmol/l А . Следователно, концентрациите в разтвор Б са 200 + mmol/l за Na , 100 mmol/l за Cl и 100 mmol/l за А . 3) Мембраната не пропуска анион А . След наливането на разтворите от двете страни на мембраната протичат следните процеси. Първо+ начално Na не преминава през мембраната, защото концентрациите му в разтвор А и разтвор Б са еднакви. За Cl съществува концентрационен градиент и той започва да дифундира от разтвор А към разтвор Б. Това води до възникване на Е m – разтвор Б се зарежда отрицателно, а разтвор А положително (фиг. 1.42-1). + Появата на Em означава, че за Na вече съществува електрохимичен градиент и той започва да преминава през мембраната също от разтвор А към разтвор Б (фиг. 1.42-2). Дифундирането на Cl увели+ чава Em. Това пречи на дифузията на Cl , но засилва преминаването на Na през мембраната. Преминаването на Na+ пречи на нарастването на Em и по този начин улеснява дифузията на Cl . Следователно, Cl и + Na си помагат взаимно при преминаването от разтвор А към разтвор Б. В резултат на това, за разлика от потенциала на Нернст, при генерирането на Донановия потенциал (Donnan) през мембраната минават + значителни количества Na и Cl , което води до промяна на техните концентрации в двата разтвора (например в разтвор А намаляват от 200 mmol/l до 171 mmol/l, а в разтвор Б съответно се увеличават). Постепенно концентрациите на двата йона се променят така, че Em се явява равновесен потенциал + както за Na , така също и за Cl (фиг. 1.42-3). Тогава можем да напишем: - Na A Cl Б = ECl- = 61 lg = 61 lg + Na Б Cl А + Em = ENa+ След съкращаване получаваме: - Na A Cl Б = + Na Б Cl A + или - - Na A . Cl A = Na Б . Cl Б + + Когато Em стане равен на ENa+ = ECl-, йоните престават да минават през мембраната (по-точно спира чистият транспорт на йони) и системата изпада в термодинамично равновесие. В това състояние тя може да остане неограничено дълго време, без приток на енергия отвън. Равновесното състояние на описаната по-горе система се нарича Донаново равновесие. Характерно за него е, че произведението от концентрациите на двата дифундиращи йона в разтвор А е равно на произведението от концентрациите им в разтвор Б (виж уравнението по-горе). Едновременното преминаване през мембраната на два йона с противоположен заряд не позволява на Em да нарасне значително и той запазва една сравнително ниска стойност. Тази стойност зависи както 68 - от концентрацията на йоните, за които мембраната не е пропусклива (А ), така също и от концентрациите на йоните, които могат да преминават през нея (относно уравнението, чрез което може да се изчисли Донановия потенциал виж учебника по биофизика). Фиг. 1. 42 Възникване на Донанов потенциал и установяване на Донаново равновесие. Дадени са само чистите (нето) йонни потоци през полупропускливата мембрана (обяснения в текста). 69 Донановият потенциал възниква поради това, че количеството на преминалите хлорни аниони от разтвор А към разтвор Б е малко по-голямо от това на натриевите катиони. Разликата между двете количества обаче е толкова малка, че се пренебрегва. Ето защо както в началото на процесите (преди да започне дифузията на Cl ), така също и след установяването на Донановото равновесие практически + имаме Na A = Cl A. - В живите организми анионите А обикновено са големи белтъчни молекули (например на цитозола или на кръвната плазма). Поради големите си размери те не могат да преминават през мембраните и стават причина за Донаново разпределение на малките йони, за които мембраните са пропускливи. При физиологични концентрации на големите аниони и малките йони Донановият потенциал възлиза само на няколко миливолта. ПОТЕНЦИАЛ НА ХОДЧКИН-КАЦ При получаване на потенциала на Нернст, през мембраната преминават само един вид йони. Донановото равновесие се получава в резултат на преминаването през мембраната в една и съща посока на два вида йони с разноименни заряди. Сега ще разгледаме какво се получава, когато два вида йони с едно+ именни заряди преминават през мембраната в противоположни посоки. Ако двата вида йони са Na и + К , ще имаме два противоположни катионни потока – JK+ и JNa+. Както в предишните два случая наливаме два разтвора (разтвор А и разтвор Б) от двете страни на ед+ на полупропусклива мембрана (фиг. 1.43). Разтвор А съдържа 200 mmol/l K и 200 mmol/l Cl , а разтвор + + + Б съдържа 200 mmol/l Na и 200 mmol/l Cl . Мембраната е пропусклива за К и за Na , но не е пропуск+ + лива за Cl . Пропускливостта за К е значително по-голяма от тази за Na (PK+ PNa+). + Под действие на концентрационните градиенти К започва да дифундира от разтвор А към разтвор Б, + + + а Na - в обратната посока. Дифузията на К води до негативиране на разтвор А, а дифузията на Na - до + позитивиране на същия разтвор. Поради по-голяма пропускливост на мембрана за К , в началото JK+ e по-голям от JNa+, поради което разтвор А се зарежда отрицателно, а разтвор Б – положително, т. е., възниква Em (фиг. 1.43-1). Този мембранен потенциал намалява JK+ и увеличава JNa+. В резултат на това в течение на известно време се развиват следните промени: 1) JK+ постепенно намалява, но остава по-голям от JNa+; 2) JNa+ постепенно нараства; 3) Докато JK+ е по-голям от JNa+, Em продължава да се увеличава. Когато нарастващият JNa+ се изравни с намаляващия JK+, Em достига своята максимална стойност, която се запазва непроменлива за известно време (фиг. 1.43-2). Тази стойност на Em (когато имаме JK+ = = JNa+) се нарича потенциал на Ходчкин-Кац (Hodgkin-Katz). Когато Em спре да нараства, спират и промените на JK+ и JNa+, тъй като концентрациите на йоните се запазват за известен период от време практически постоянни. За разлика от равновесното състояние в първите два случая (потенциал на Нернст и потенциал на Донан) при потенциала на Ходчкин-Кац през мембраната продължават да текат чисти потоци. Поради това системата не може да запази състояни+ ето си непроменливо продължително време. В резултат на непрекъснатото преминаване на К от разтвор + А към разтвор Б и на Na в обратната посока, концентрационните градиенти за тези йони постепенно намаляват и накрая стават равни на нула. Успоредно с тях намалява и накрая става равен на нула и Em. + + Времето, което е необходимо за изравняване на концентрациите на K и Na в двата разтвора зависи от обема на разтворите, концентрациите на йоните и пропускливостта на мембраната. При обеми на разтворите от порядъка на няколко пиколитра (pl) потенциалът на Ходчкин-Кац запазва своята максимална стойност по-малко от 1 min и спада до 0 mV след около 15-20 min. При обеми от порядъка на 1 l и при сравнително малка пропускливост на мембраната Em запазва стойността си в течение на часове. Стойността на потенциала на Ходчкин-Кац може да се изчисли като използваме уравнението за плътността на йонния поток (J) от предишния раздел (виж стр. 24). Когато са ни известни концентрации+ + + + + + те на Na и на K в двата разтвора (K A, K Б, Na A и Na Б) и коефициентите на пропускливост на мембраната (РK+ и РNa+), можем да определим при каква стойност на Em ще имаме -JNa+ = JK+ или, което е същото JK+ + JNa+ = 0 (отрицателният знак пред JNa+ показва, че двата потока имат противоположни посоки): kEm + + - JNa+ = - PNa+(Na Б - Na A ekEm) kEm e -1 70 kEm + + JK+ = PK+(K Б - K A ekEm) kEm e -1 -PNa+(Na Б - Na A ekEm) = РK+(К Б - K A ekEm) + + + + След разкриване на скобите прехвърляме изразите, които съдържат ekEm вляво и изваждаме ekEm пред скоба: + + + + ekEm(РK+K A + PNa+Na A) = PK+K Б + PNa+Na Б PK+K Б + PNa+Na Б = + + PK+K A + PNa+Na A + е kEm + Фиг. 1. 43 Възникване на потенциала на Ходчкин-Кац. Дадени са само чистите йонни потоци. Както знаем, ако имаме ех = М, х = ln М. Затова можем да напишем: 71 PK+K Б + PNa+Na Б kEm = ln + + PK+K A + PNa+Na A + + zF Тъй като k = получаваме: RT RT PK+K Б + PNa+Na Б Em = ln + + F PK+K A + PNa+Na A + + (z = 1) RT о След като изчислим стойността на при 37 С и превърнем натуралните логаритми в десетичF ни, получаваме: PK+K Б + PNa+Na Б Em = 61 lg + + PK+K A + PNa+Na A + + Разгледахме горния опростен вариант за получаване на потенциала на Ходчкин-Кац с цел да изясним смисъла на това понятие. Всъщност Ходчкин и Кац в своята работа от 1949 година разглеждат един + + по-сложен случай, при който мембраната е пропусклива за три йона (Na , K и Cl ) и концентрациите на йоните са по-близки до тези, които се срещат в ИЦТ и ЕЦТ на живия организъм. Освен това разтвор А се означава като разтвор i (от интрацелуларен), а разтвор Б с е (от екстрацелуларен). На фиг. 1.44 са дадени концентрациите на йоните в двата разтвора. + + - Фиг. 1. 44 Потенциал на Ходчкин-Кац когато мембраната е пропусклива за Na , K и Cl . И в този случай протичат същите процеси както в опростения вариант с тази разлика, че преминаването на Cl към разтвор i засилва неговото негативиране. Em ще достигне своята максимална стойност и ще я запази за известно време, когато сумата от трите йонни потока стане равна на нула: - JNa+ = JK+ + JCl- или JK+ + JNa+ + JCl- = 0 Ако JNa+ има отрицателна стойност, потоците JK+ и JCl- имат положителна стойност (JK+ защото има обратна посока, а JCl- защото Cl има противоположен знак). Изразяваме йонните потоци по познатия начин и получаваме: 72 - - - PNa+(Na e - Na i ekEm) = PK+(K e - K i ekEm) + PCl-(Cl i - Cl e ekEm) + + + + Като повторим направените по-горе преобразувания получаваме при 37 о С: - PK+K e + PNa+Na e + PCl-Cl i Em = 61 lg + + PK+K i + PNa+Na i + PCl-Cl e + + Тъй като при извеждането на формулата за плътността на йонния поток (J) се използва теорията на Голдман (Goldman) за константното поле, уравнението, което се получава чрез тази формула обикновено се нарича уравнение на Голдман-Ходчкин-Кац или уравнение на константното поле. Ако решим горното уравнение с реални стойности (такива каквито се срещат при живите клетки) ще получим приблизителната стойност на Em на плазмалемата на една клетка малко (около 1 min) след като спрат да работят нейните йонни помпи. Йонните помпи могат да спрат да функционират, например, поради липса на АТФ вследствие на хипоксия. Стойността на Em ще бъде приблизителна, защото 2+ горното уравнение не отчита влиянието на останалите йони, които се срещат в живия организъм (Са , + 2+ Н , НСО3 , Mg и др.), макар че пропускливостта на мембраната за тях е сравнително малка. Уравнение на Ходчкин-Хоровиц. Ако вместо коефициента на пропускливост (Р х) използваме величината електрична проводимост на мембраната за йона х (Gх) (виж стр. 23) ще получим уравнението на Ходчкин-Хоровиц (Hodgkin-Horowicz), с което също можем да изчислим потенциала на Ходчкин-Кац: - - GNa+ lg Na e / Na i + GK+ lg K e / K i + GCl- lg Cl i / Cl e Em = 61 GNa+ + GK+ + GCl+ + + + ЗНАЧЕНИЕ НА ЙОННИТЕ ПОМПИ ЗА ВЪЗНИКВАНЕТО НА МЕМБРАННИЯ ПОТЕНЦИАЛ Както казахме, разделяне на катиони от аниони може да се осъществи и от йонните помпи (АТФази), които използват за целта енергията на АТФ. Разбира се, функциониращи йонни помпи имат само мембраните на нормалните живи клетки. Всички клетки в човешкия организъм притежават огромен брой натриево-калиеви помпи. Броят на калциевите помпи в плазмалемата е по-малък. Na+- K+- помпи (а вероятно и Са2+- помпи) са електрогенни – те изнасят от цитозола към ЕЦТ положителни електрични заряди и по този начин създават електрична потенциална разлика между ИЦТ и ЕЦТ. За такъв мембранен потенциал, който е резултат от електрогенния ефект на йонните помпи казваме, че има директен помпен произход. МЕХАНИЗЪМ ЗА ВЪЗНИКВАНЕ НА Еm НА ПЛАЗМАЛЕМАТА Значението на йонните помпи за генерирането на мембранния потенциал се доказва със следния пример. Ако поставим една клетка в условията на тежка хипоксия, синтезата на АТФ спира и поради изчерпване на запасите от АТФ след около 1 min йонните помпи преустановяват своята дейност (фиг. 1.45). Веднага след това мембранният потенциал започва да намалява и след около 20 min става равен на 1-2 mV (колкото е + + стойността на Донановия потенциал за тази клетка), а концентрациите на Na и К се приближават до тези в ЕЦТ. Възстановяването на работата на йонните помпи води до създаване на трансмембранна потенциална разлика, която за по-малко от 1 min достига нормалната стойност на Em и дори за кратко време я надминава. 73 Ясно е, че дейността на йонните помпи (главно на натриево-калиевата помпа) е причина за съществуването на трансмембранна потенциална разлика. Въпросът, който може да се постави е дали тази потенциална разлика е резултат от електрогенния ефект на помпата или е следствие на създадените от помпите йонни концентрационни градиенти. Казано с други думи, въпросът е дали Em има директен помпен произход или е дифузионен потенциал, т. е. има индиректен помпен произход. За да се разбере каква е същността на мембранния потенциал на плазмалемата, трябва да се проследят процесите, които водят до неговото възникване, т. е. трябва да се анализира подробно периода след премахването на хипоксията в примера даден на фиг.1.45. В началото на този период плазмалемата е почти напълно деполяризирана (Em e равен на 1-2 mV) и концентрациите на йоните в цитозола са близки до тези в Фиг. 1. 45 Промяна на Na i, K i и Em в резултат на временно спиране на йонните помпи поради липса на АТФ. Синтезата на АТФ се блокира чрез хипоксия. След възстановяване на синтезата на АТФ, Еm бързо се връща към първоначалната си стойност. + + 74 ЕЦТ. След премахване на хипоксията синтезата на АТФ се възстановява (ако клетката е останала жива) и малко след това йонните помпи започват отново да функционират. Когато натриево-калиевата помпа започне да работи, тя изважда от клетката повече + + катиони (3 Na ) отколкото вкарва (2 К ). Това води до негативиране на цитозола. Достатъчно е около 5000 едновалентни катиона да излязат през площ от мембраната равна на 1 m2, за да се получи трансмембранна потенциална разлика от 80 mV. При наличието на достатъчно АТФ една натриево-калиева помпа транспортира от 150 до + + + 600 Na за 1 s в зависимост от концентрацията на Na в цитозола и на К в ЕЦТ. Това + означава, че в началото на възстановителния период, когато Na i е висока, една наттриево-калиева помпа пренася от вътрешната към външната повърхност на плазмалемата близо 200 положителни електрични заряда за 1 s. Като имаме пред вид, че 1 m2 от мембраната има от няколко десетки до няколко хиляди натриево-калиеви помпи, мо+ + 2+ жем да пресметнем, че само Na - K - помпа (без помощта на Са - помпа) е в състояние да генерира Em = -80 mV за не повече от 1 s. Много важно е това, че по времето когато се създава трансмембранната потенциална разлика концентрациите на йоните в цитозола са все още близки до тези в ЕЦТ. Това означава, че мембранният потенциал на плазмалемата на една нормална клетка не е дифузионен потенциал, а има директен помпен произход, т. е. той не е следствие на пасивния транспорт на йоните (дифузия), а е непосредствен резултат от активния транспорт. + Въпреки че през фазата на нарастване на Em концентрационните градиенти за Na и + за К все още са малки, появата на електричен градиент води до преминаване на йо+ + ни през плазмалемата – всички катиони (Na , К ) се стремят да влязат в клетката, а анионите (Cl ) – да излязат. Това движение на йоните забавя нарастването на мембранния потенциал, поради което Em достига своята нормална стойност (стойността, която е имал преди хипоксията) вместо за 1 s за около 0,5 min. За разлика от Em концентрациите на йоните в цитозола достигат своите нормални стойности около 5-6 min след премахването на хипоксията (фиг. 1.45). Следователно, през фазата на нарастване на Em не дифузията на йони поражда трансмембранна потенциална разлика, а точно обратното – Em създаден главно от натриево-калиевата помпа причинява дифузия на йони (всъщност електродифузия), която забавя нарастването на Em. Трябва да се отбележи, че веднага след възникването на Em е налице електрохими+ чен градиент за К насочен навътре (отрицателен цитозол и все още незначителен концентрационен градиент насочен навън). Поради това в началото на периода на въз+ становяване К не излиза пасивно от клетката. Едва след като концентрацията му в цитозола се повиши достатъчно (в течение на 2-3 min), той започва да изтича навън. + Отначало пасивният калиев поток насочен навън е малък, но с нарастването на К i той постепенно се увеличава и в края на възстановителния период става равен по големина на активния калиев поток, причинен от натриево-калиевата помпа. За разлика от + + К , през периода на възстановяване Na винаги влиза пасивно в клетката. + В някои учебни помагала все още се твърди, че от клетката излиза пасивно много К (повече от+ колкото влиза Na ) и с този “голям” изходящ калиев поток се обяснява възникването на Em на плазмалемата (негативирането на цитозола). В действителност, въпреки сравнително голямата стойност на Р К+, изходящият калиев поток е по-малък от входящия натриев поток както по време на нарастването на Еm (по време на генерирането на Еm), така също и когато клетката се намира в стационарно състояние. Все пак има ситуация, при която Em на плазмалемата придобива дифузионен характер и неговата стойност може да бъде изчислена чрез уравнението на Голдман-Ходчкин-Кац. След спиране на притока на О2 (фиг. 1.45) поради намаляване на концентрацията на АТФ в цитозола, помпите забавят своята дейност и накрая спират. В момента 75 на спирането на натриево-калиевата помпа пасивният натриев поток е все още 1,5 пъти + по-голям от пасивния калиев поток. Навлизането на Na причинява бързо понижаване на Em с 5-10 mV. Спадането на Em води до намаляване на електрохимичния градиент за + + Na и увеличаване на електрохимичния градиент за К . В резултат на това натриевият пасивен поток започва да намалява, а калиевият да се увеличава и накрая двата потока се изравняват по големина. В момента, в който се достигне до равенството JK+ = -JNa+ мембранният потенциал добива дифузионен характер и неговата приблизителна стойност може да бъде изчислена чрез уравнението на Голдман-Ходчкин-Кац. Поради малкия обем на клетката Em не остава постоянен, а продължава да намалява макар и по+ + бавно, съответно на промените на Na i и K i. ИЗЧИСЛЯВАНЕ НА СТОЙНОСТТА НА Em НА ПЛАЗМАЛЕМАТА ПРИ СТАЦИОНАРНО СЪСТОЯНИЕ НА КЛЕТКАТА Стационарно наричаме това състояние на клетката, при което нейните параметри (стойност на Еm, концентрации на йоните и др.) остават постоянни въпреки непрекъснатото преминаване на вещества и енергия през плазмалемата. Стационарното състояние се поддържа с разход на енергия, която е необходима за осъществяване на активния транспорт. На фиг. 1.45 се вижда, че след спирането на йонните помпи концентрационните + + градиенти за Na и за К намаляват. За да се запазят концентрациите на йоните постоянни, е необходимо натриево-калиевата помпа да изважда активно навън от клетка+ + та точно толкова Na , колкото влиза пасивно. Същото се отнася и за К , но при него посоката на движение е обратна (активно навътре и пасивно навън). Ако означим акa a тивните потоци причинени от помпата с J Na+ и J К+, можем да кажем, че концентра+ + циите на Na и К ще останат постоянни и стационарното състояние ще се запази, когато са спазени следните равенства: -JNa+ = J a Na+ и JK+ = -J a K+ a a Тъй като натриево-калиевата помпа работи в отношение 3 : 2 (J Na+/-J K+ = 3/2), следва (от горното уравнение), че -JNa+/JK+ = 3/2 = 1,5 или -JNa+ = 1,5 JK+. Изразяваме плътностите на йонните потоци (J) по познатия ни начин и уравнението -JNa+ = 1,5 JK+ добива следния вид: kEm kEm + + + + -PNa+(Na e - Na i ekEm) = 1,5 PK+(K e - K i ekEm) kEm kEm е –1 e –1 о Решаваме това уравнение и получаваме при 37 С: 1,5 PK+K e + PNa+Na e Em = 61 lg + + 1,5 PK+K i + PNa+Na i + + Ако разделим числителя и знаменателя на РК+, уравнението добива следния вид: 1,5 K e + (PNa+/PK+) Na e Em = 61 lg + + 1,5 K i + (PNa+/PK+) Na i + + 76 Този подход за изчисляване на потенциала на клетъчната мембрана е предложен първоначално от Мълинс (Mullins) и Нода (Noda) през 1963 година. По-късно Томас (Thomas) дава окончателния вид на уравнението и поради това то се означава като уравнение на Мълинс-Нода и по рядко като уравнение на Томас. Уравнението на Мълинс-Нода е само един начин за изчисляване на Еm на нормална клетка, която се намира в стационарно състояние (в покой). То не ни разкрива причините за възникването на трансмембранната потенциална разлика в живата клетка, нито ни посочва всички фактори, от които зависи стойността на Еm. НОРМАЛНИ СТОЙНОСТИ НА МЕМБРАННИЯ ПОТЕНЦИАЛ Прието е трансмембранната електрична потенциална разлика на плазмалемата (Em) да се измерва като от потенциала на цитозола (Ei) извадим потенциала на ЕЦТ (Eе): Em = Ei – Ee. Всички клетки в човешкия организъм (епителни, нервни, ендокринни, мускулни и др.) имат мембранен потенциал. При повечето епителни клетки стойността на Em е около -60 до -80 mV. При нервните клетки Em най-често е около -70 mV, но при някои неврони достига стойности над -80 mV. Скелетните миофибри имат по-голям мембранен потенциал – около -85 mV, а при гладките мускулни клетки Em е близо два пъти по-нисък – обикновено под -50 mV. Дори еритроцитите имат мембранен потенциал около -10 mV. Когато става дума за възбудими клетки (нервни, мускулни или рецепторни), посочените стойности се отнасят за състоянието на покой. Отрицателният знак пред цифрата означава, че цитозолът е зареден отрицателно спрямо ЕЦТ. Когато Em се промени от -60 на -90 mV, казваме, че той се увеличава, тъй като се увеличава неговата абсолютна стойност. Отрицателният заряд на цитозола е причинен от сравнително малък брой аниони. Достатъчно е концентрацията на К+ в ИЦТ да се понижи с една стохилядна част, за да се получи Em от порядъка на -80 mV. Когато се измерва концентрацията на йоните в mmol/l с точност до втория знак след запетаята, сумата от концентрациите на катионите в цитозола е равна на сумата от концентрациите на анионите. Затова се приема, че броят на катионите в ИЦТ е практически равен на броя на анионите. Същото се отнася и за ЕЦТ – тя също се разглежда като електронеутрална течност. Фиг. 1. 46 Измерване на Еm на клетка с помощта на микроелектрод. 77 Тъй като анионите в цитозола се отблъскват помежду си, но привличат катионите от ЕЦТ, йоните, които създават Em се струпват от двете страни на плазмалемата както при кондензатор – вътре аниони, а по външната повърхност катиони (фиг 1.46). Клетката и катионите по нейната повърхност взети заедно представляват електронеутрална система. Останалата част от ЕЦТ (която не включва катионите по повърхността на клетката) е също електронеутрална. Вместо дългия израз “съществува трансмембранна електрична потенциална разлика” често се казва, че мембраната е поляризирана (отвън е положителният полюс, а вътре е отрицателният полюс). Намаляването на Em по абсолютна стойност се нарича деполяризация (например, когато от -80 mV става -60 mV), а увеличаването му – хиперполяризация (например, когато от -80 mV става -100 mV). ФАКТОРИ, ОТ КОИТО ЗАВИСИ СТОЙНОСТТА НА МЕМБРАННИЯ ПОТЕНЦИАЛ Стойността на мембранния потенциал при покой (при стационарно състояние на клетката) зависи от 1) йонната пропускливост на мембраната (Р), 2) концентрациите на йоните от двете страни на мембраната и 3) активността на йонните помпи на плазмалемата. Нарушаване на стационарното състояние на клетката и съответно промяна на Em може да се получи 1) при промяна на активните йонни потоци и 2) при промяна на пасивните йонни потоци. Активните потоци се променят при засилване или отслабване на дейността на йонните помпи. Например, при активиране на натриево-калиевата помпа Em започва да се повишава (наблюдава се хиперполяризация), а при намаляване на нейната активност (фиг. 1.45) Em се понижава (деполяризация). Пасивните потоци зависят от електрохимичните градиенти (ЕХГ) и от пропускливостта на мембраната (Р) за йоните. Например, при увеличаване РСа2+ на плазмалемата в цитозола започва да навлиза повече Са2+ отколкото помпата вади от клетката, в резултат на което се развива деполяризация. Същото се получава и при увеличаване на PNa+. При увеличаване на РК+ обаче се получава хиперполяризация, защото навън изли+ за пасивно повече К отколкото натриево-калиевата помпа вкарва в клетката. Промяна на пасивните потоци може да се получи и при промяна на концентрации+ те на йоните. Например, при повишаване на концентрацията на К в ЕЦТ намалява пасивният калиев поток (поради намаляване на електрохимичния градиент), в резултат на което се получава деполяризация. - Относно Cl се приема, че при повечето клетки не съществува нито пасивен нито активен хлорен поток през плазмалемата поради липса на електрохимичен градиент (а не поради липса на пропускливост на мембраната). При някои клетки обаче съществува електрохимичен градиент и съответно пасивен хлорен поток насочен от ЕЦТ към цитозола. За да се установи стационарно състояние, при тези клетки трябва да съществува и активен хлорен поток насочен навън. Как се осъществява активният хлорен транспорт през плазмалемата засега не е окончателно изяснено. След като стационарното състояние на клетката бъде нарушено (вследствие промяна на активността на помпите, пропускливостта на мембраната или концентрациите на йоните) Em започва да се променя. Поради промяната на Em се променят електрохимичните градиенти за всички йони – клетката е извадена от нейното “спокойно” (стационарно) състояние и всички пасивни йонни потоци, които текат през плазмалемата се променят в съответствие с новата стойност на Em. Например, увеличаването на PNa+ води до деполяризация на мембраната. Поради намаляване на Em се увеличава електро- 78 + химичният градиент за К и пасивният калиев поток насочен навън се увеличава. Вторичните йонни потоци (предизвикани от промяната на Em) пречат на промяната на мембранния потенциал и се стремят да го върнат към първоначалната му стойност. Ако началната промяна (в случая на PNa+) се задържи (не е краткотрайна), след известен период от време клетката достига до ново стационарно състояние с нови параметри (други стойности на Em и на йонните концентрации). Както казахме, посредством уравнението на Мълинс-Нода може да бъде изчислена стойността на мембранния потенциал само ако клетката се намира в стационарно състояние. Когато клетката се намира в преход от едно стационарно състояние към друго (например по време на акционния потенциал), Em не може да бъде изчислен чрез това уравнение. Стойността на Em във всеки един момент на прехода се изчислява чрез диференциални уравнения, които включват и величините време и капацитет на мембраната (например, диференциалните уравнения на Ходчкин-Хъксли). 79 2. ХОМЕОСТАЗА, РЕГУЛАТОРНИ МЕХАНИЗМИ ХОМЕОСТАЗА Хомеостаза е сравнително стар и твърде общ медицински термин. Той означава постоянство на параметрите на организма. Човешкият организъм функционира найдобре, когато всички негови показатели запазват своята оптимална стойност или се колебаят само в тесни граници. Следователно запазването (поддържането) на хомеостазата е задължително условие за нормалното функциониране на всички органи и системи. Когато се говори за хомеостаза, най-често се има пред вид постоянството на параметрите на ЕЦТ (обем, състав, концентрации, налягане и температура). ЕЦТ се нарича още “вътрешна течна среда” на многоклетъчния организъм, поради което се среща и определението, че хомеостаза означава постоянство на вътрешната течна среда. Терминът хомеостаза обаче се използва и за означаване на постоянството на ИЦТ, а така също и на такива величини, които са общи за ЕЦТ и ИЦТ (например температурата на тялото). Говори се например, за хомеостаза на цитозола, топлинна хомеостаза и др. Хомеостазата представлява динамично постоянство. Това означава че параметрите на организма се запазват сравнително постоянни въпреки непрекъснатата обмяна на вещества и енергия между ЕЦТ и ИЦТ и между организма като цяло и околната среда. РЕГУЛАТОРНИ МЕХАНИЗМИ РЕГУЛАТОРНИ МЕХАНИЗМИ С ОТРИЦАТЕЛНА ОБРАТНА ВРЪЗКА Хомеостазата се запазва благодарение на наличието в организма на голям брой регулаторни механизми. Тези механизми функционират по принципа на отрицателната обратна връзка. При отрицателната обратна връзка имаме структура А, която е чувствителна към промените на дадена величина и затова се нарича сензор (фиг. 2.1). Фиг. 2. 1 Схема на регулаторен механизъм с отрицателна обратна връзка. 80 Освен това имаме структура Б, която може да променя стойността на разглежданата величина и затова се нарича ефектор. Величината, чиято стойност може да бъде променяна от ефектора се нарича регулируема величина или обект на регулацията. Когато стойността на тази величина се повиши (поради действието на някакъв “смущаващ” фактор), сензорът реагира и въздейства върху ефектора (по нервен или хормонален път). В резултат на това въздействие ефекторът променя своята функция и понижава стойността на регулируемата величина, т. е. връща я към нейната първоначална стойност. Веригата от процеси, която започва с отклонение на регулируемата величина от нейната нормална стойност, завършва с промяна на същата величина, но в обратна (отрицателна) посока. Така се получава един затворен регулаторен кръг, който противодейства на промените на обекта на регулацията (въздейства “отрицателно”) и затова се нарича отрицателна обратна връзка. Ще илюстрираме дадената по-горе схема с няколко конкретни примери за регулация с отрицателна обратна връзка: 1. Обектът на регулацията (регулируемата величина) е концентрацията на глюкозата в кръвната плазма. На гладно тя има стойност около 5 mmol/l. Структурата, която е чувствителна към промените на тази величина (сензора) са В-клетките в Лангерхансовите острови на задстомяшната жлеза. Когато концентрацията на глюкозата в плазмата се повиши, В-клетките реагират със засилена секреция на хормона инсулин. Структурите, които могат да променят концентрацията на глюкозата (ефекторите) са главно мускулните и мастните клетки. Инсулинът стимулира тези клетки да поглъщат повече глюкоза и да я превръщат в гликоген и мастни киселини. В резултат на това концентрацията на глюкозата в плазмата започва да се понижава (отрицателно действие на ефекторите) и след известно време се връща към нормата. 2+ 2. Обектът на регулацията е концентрацията на Са в плазмата. Сензор са ендо2+ кринните клетки на паращитовидните жлези. Когато концентрацията на Са в плазмата се понижи, тези клетки реагират с повишена секреция на паратхормон. Ефектори са остеокластите в костите и клетките на бъбречните каналчета. Паратхормонът стимулира остеокластите, които разграждат СаНРО4 на костите. Полученият при това раз2+ граждане Са навлиза в плазмата. Освен това паратхормонът намалява екскрецията на 2+ Са с урината. Всичко това води до повишаване и нормализиране на концентрацията 2+ на Са в плазмата. 3. Описаните два случая на регулация са пример за ендокринен (хормонален) регулаторен механизъм с отрицателна обратна връзка. Сега ще разгледаме един нервен регулаторен механизъм, който също функционира по принципа на отрицателната обратна връзка. Обект на регулацията е количеството на светлината, която пада върху ретината. Сензори са зрителните рецептори. Когато светлината, която пада върху ретината се усили, зрителните рецептори реагират. Посредством химични синапси рецепторите провеждат информацията към биполярните клетки, а те от своя страна я предават на ганглийните клетки. Аксоните на ганглийните клетки образуват n. opticus, а след това и tractus opticus. Част от тези аксони достигат до претекталните ядра в средния мозък и предават информацията към невроните на едно от тези ядра. Аксоните на претекталните неврони провеждат информацията за светлинното дразнене по-нататък към ядрото на Вестфал-Едингер. Аксоните, които излизат от това ядро достигат до ganglion ciliare, който се намира в близост с очната ябълка. От този вегетативен ганглий излизат последните аксони на разглеждания регулаторен кръг, които достигат до m. sphincter pupillae и причиняват неговото съкращение. Когато този мускул се съкрати, зеницата се свива и намалява количеството на светлината, която осветява ретината. Така чрез този 81 дълъг нервен път между сензора (зрителните рецептори) и ефектора (m. sphincter pupillae) усилването на светлината, която влиза в окото води до свиване на зеницата и намаляване на количеството на светлината, която пада върху ретината. Разгледаните три примера ни дават следната допълнителна информация относно регулаторните механизми с отрицателна обратна връзка: 1) Един регулаторен механизъм може да има няколко ефектора, които връщат регулируемата величина към нейната нормална стойност (остеокласти в костите и бъбречни каналчета в пример 2). Така се постига по-голяма ефективност на регулацията. 2) Връзката между сензора и ефектора не винаги е директна. В много случаи между тях има едно или няколко междинни звена (пример 3 със зеничната реакция на светлина). Съгласно казаното по-горе в схемата за отрицателната обратна връзка трябва да се направят допълнения, които да показват възможността за наличие на повече от един ефектор и на междинни звена между сензора и ефекторите (фиг. 2.2): В техниката често се използват различни регулиращи устройства, които работят по принципа на отрицателната обратна връзка. При тях междинните звена между сензора и ефектора се наричат интегратор или регулатор. Използват се и други технически термини, чието въвеждане във физиологията в редица случаи само усложнява разглеждането на регулаторните процеси. Фиг. 2. 2 Допълнения към схемата на регулаторен механизъм с отрицателна обратна връзка. 3) Не всички регулаторни механизми с отрицателна обратна връзка имат за задача да поддържат хомеостазата. Много от тях (например зеничната реакция на светлина) не са хомеостатични механизми. По-нататък ще разгледаме и редица други механизми с отрицателна обратна връзка, които също нямат нищо общо с хомеостазата, а регулират величини като пречупвателната сила на окото, дължината на скелетните мускули, равновесието на тялото и др. 82 Трябва да се има пред вид, че сензорът и ефекторът не винаги са отделни клетки свързани чрез нервен или хуморален път, както е в дадените по-горе примери. В някои случаи те представляват отделни молекули на една и съща клетка. Например, норадреналинът, който се секретира от някои пресинаптични разширения действа не само върху постсинаптичната мембрана, но се свързва и с 1-адренорецепторите на пресинаптичната мембрана и в резултат на това секрецията на норадреналин намалява. В случая обект на регулацията е количеството на секретирания норадреналин. Сензор са 1-адренорецепторите. След като тези мембранни рецептори се свържат с норадреналина, те се активират и въздействат върху редица молекули от цитозола на пресинаптичното разширение, в резултат на което секрецията на норадреналин намалява. В този пример и сензора и ефектора на отрицателната обратна връзка са отделни молекули на едно и също пресинаптично разширение. В биохимията също има много отрицателни обратни връзки на молекулно ниво. ТЕРМИНИ НА РЕГУЛАЦИЯТА С ОТРИЦАТЕЛНА ОБРАТНА ВРЪЗКА 1. С термина обект на регулацията (регулируема величина) вече се запознахме. 2. Оптималната стойност на регулируемата величина се нарича още зададена или референтна стойност. Оптимална е тази стойност на величината, при която организмът функционира най-добре. Често се говори за нормална стойност. Стойността е нормална, когато се намира между определени граници, наречени нормални граници. Например, нормалните граници на систоличното кръвно налягане са от 105 до 140 mm Hg, но неговата оптимална (най-добра за организма) стойност при млади мъже е 120 mm Hg. Зададената стойност е обикновено генетично определена и е приблизително еднаква при отделните индивиди от еднакъв пол и на еднаква възраст. 3. Действителна стойност наричаме стойността, която разглежданата величина има в даден конкретен момент. 4. Отклонение наричаме разликата между действителната стойност (ДСт) и зададената стойност (ЗСт) на обекта на регулацията: отклонение = ДСт – ЗСт. При здрави хора обикновено действителната стойност е почти равна на зададената, но в някои случаи тя може да се отклони от нея. Ако зададената стойност на систоличното налягане е 120 mm Hg, а ние сме измерили 150 mm Hg, отклонението на обекта на регулацията е равно на 30 mm Hg (150 – 120). 5. Латентен период на отрицателната обратна връзка или закъснение (забавяне) на компенсаторната реакция наричаме времето, което изминава от появата на отклонение на регулируемата величина до началото на действието на ефектора (фиг. 2.3). Нервните регулаторни механизми имат по-кратък латентен период (от порядъка на секунди или дори под 1 s). При ендокринните механизми закъснението на компенсаторната реакция може да продължава часове. 6. Инертността на обекта на регулацията се определя от скоростта, с която регулируемата величина се връща към зададената стойност, след като ефекторът започне да действа. Някои величини (артериално кръвно налягане, широчина на зеницата) се променят бързо, т. е. те имат малка инертност. Други величини (концентрация на някои вещества в плазмата, телесна температура) се връщат значително по-бавно към оптималната си стойност, въпреки непрекъсващото действие на ефекторите. За тях казваме, че имат голяма инертност. 83 Фиг. 2. 3 Графично представяне на промените в обекта на регулацията след появата на отклонение (обяснения в текста). 7. След като обектът на регулацията се отклони от зададената стойност, регулаторният механизъм с отрицателна обратно връзка се стреми да нормализира стойността на разглежданата величина. В редица случаи обаче регулаторният механизъм само намалява отклонението, но не успява да върне величината към нейната зададена стойност. Запазва се едно остатъчно отклонение (Вост), което разбира се, е значително по-малко от първоначалното отклонение (Внач), което сме имали преди да се включи регулаторният механизъм (фиг. 2.3). Стойността на отношението между остатъчното и началното отклонение се нарича фактор на обратната връзка (Ф): Вост Ф = Внач Факторът на обратната връзка е мярка за точността и ефективността на регулаторния механизъм. Колкото по малка е неговата стойност, толкова по-точна е регулацията. Максимално добро регулиране имаме при Ф = 0. 8. Горният фактор (Ф) зависи от един друг фактор наречен фактор на усилването (или просто усилване на регулаторния механизъм), който ни показва каква е силата на въздействието на ефектора върху обекта на регулация. При по-голямо усилване остатъчното отклонение (Вост) има по-малка стойност, т. е. Ф намалява. Голямото усилване обаче крие опасност от възникване на регулаторни колебания (виж следващата точка). 9. Регулаторни колебания наричаме колебанията на регулируемата величина около зададената стойност. Когато усилването на регулаторния механизъм е голямо, обектът на регулацията не само се връща към зададената стойност, но дори я задми- 84 нава (получава се ново отклонение в обратна посока). Новото отклонение повторно включва регулаторния механизъм, който пак връща величината към зададената стойност, но тя отново я задминава. Така възникват колебания на обекта на регулация около зададената стойност (фиг. 2.4). Фиг. 2. 4 Регулаторни колебания. А – затихващи колебания с малка амплитуда. Б – продължителни колебания с голяма амплитуда (нарушена стабилност на регулацията). Малки колебания, които бързо затихват се срещат често и се приемат за нормални (фиг. 2.4 А). Големите и продължителни колебания са патологични. При наличието на такива колебания (например на кръвното налягане) казваме, че стабилността на регулацията е нарушена (фиг. 2.4 Б). Причина за нарушената стабилност може да бъде не само прекомерното усилване, но и удължаването на латентния период на регулаторния механизъм. Голямата инертност на обекта на регулация намалява вероятността от възникването на регулаторни колебания. Например, телесната температура е сравнително инертна величина и затова при нейната регулация обикновено не се наблюдават регулаторни колебания. 85 Следователно, добрата регулация е не само бърза (с кратък латентен период) и достатъчно силна (Ф има малка стойност), но и стабилна. ИЗПРЕВАРВАЩА РЕГУЛАЦИЯ Отклонението на регулируемата величина от зададената стойност се причинява обикновено от въздействието на някакъв “смущаващ” фактор. Такъв смущаващ фактор е например гравитацията, която понижава артериалното кръвно налягане в горната половина на тялото, когато човек премине бързо от легнало в изправено положение. След изтичането на латентнния период на регулаторния механизъм, ефекторите започват да намаляват отклонението и се стремят да върнат обекта на регулация към зададената стойност. Времето, за което се компенсира отклонението зависи от усилването на регулаторния механизъм и от инертността на регулируемата величина. В разгледаните досега примери регулаторният механизъм се включва след като се получи отклонение на регулируемата величина. Съществуват обаче регулаторни механизми, които се включват предварително, т. е. преди обектът на регулацията да се отклони от зададената стойност. Тъй като в този случай регулацията изпреварва отклонението, “смущаващият” фактор и ефекторът на отрицателната обратна връзка започват да действат върху обекта на регулацията почти едновременно (но в противоположни посоки). В резултат на това регулируемата величина се отклонява незначително. Изпреварващата регулация е особено полезна при регулаторни механизми с дълъг латентен период и голяма инертност. Предварителното включване на регулаторния механизъм се осъществява обикновено чрез допълнителни сензори, които са чувствителни не към промените на обекта на регулацията, а към “смущаващия” фактор. Като пример за изпреварваща регулация може да се посочи регулацията на вътрешната температура на тялото. При нормални условия тази температура има стойност о около 37 С. В хипоталамуса има терморецептори, които реагират при промяна на вътрешната температура и включват съответни регулаторни механизми. Ако човек бъде поставен в помещение с ниска температура, тялото му започва да губи много топлина и възниква опасност от понижаване на вътрешната телесна температура. Това понижаване се предотвратява чрез изпреварваща регулация, която се осъществява с участието на терморецепторите в кожата. Тези рецептори реагират не на вътрешната температура (обекта на регулацията), а на ниската околна температура (“смущаващия” фактор). В резултат на дразненето на кожните терморецептори съдовете на кожата се свиват, чрез което се ограничава загубата на топлина от тялото. Освен това скелетните мускули повишават своя тонус или дори започват неволево да се съкращават (треперене от студ), чрез което се увеличава топлопродукцията. Благодарение на тези изпреварващи реакции на организма обикновено не се стига до промяна на неговата вътрешна температура. ПРЕДВИЖДАЩА РЕГУЛАЦИЯ Разгледаните до тук регулаторни механизми се включват след появата на “смущаващия” фактор или дори след като регулируемата величина започне да се отклонява от зададената стойност. Тъй като в случая организмът реагира на действието на “смущаващия” фактор или на промяната на величината, този вид регулация може да се нарече реактивна регулация. Организмът разполага и с друг вид механизми, които също съдействат за запазване на хомеостазата, но тяхното включване се извършва далече преди появата на “смущаващи” фактори. Тези механизми измерват време и предвиждат в кой момент (нап- 86 ример от денонощието) ще се появи тенденция към нарушаване на хомеостазата. Те не чакат да се появи “смущаващият” фактор или да се промени регулируемата величина, а започват предварително (понякога часове преди това) да подготвят организма за очакваните промени. Подготовката се изразява в повишаване на реактивността на съответния регулаторен механизъм и лека промяна на регулируемата величина в посока противоположна на очакваното отклонение. Този вид регулация се нарича предвиждаща (предиктивна) регулация. Тя намалява значително отклоненията на регулируемите величини от зададените стойности и облекчава работата на реактивните регулаторни механизми. Основание за нейното съществуване е закономерната повторяемост на едни и същи дейности на организма в едни и същи моменти във времето. Така например през първата половина на деня човек е най-активен и изразходва най-много глюкоза. Поради това съществува опасност от понижаване на концентрацията на глюкозата в кръвта. Ако това се получи, ще се включат съответните регулаторни механизми и след известно време концентрацията на глюкозата ще се приближи към нормата. Тези механизми ще се включат обаче едва след като се е развила известна хипогликемия. Предвиждащата регулация допринася за стабилизирането на концентрацията на глюкозата по следния начин. Няколко часа преди началото на светлата фаза на денонощието (още по време на съня) секрецията на хормона кортизол започва да се повишава и остава висока през сутрешните часове. Кортизолът не само повишава концентрацията на глюкозата в кръвта, но и засилва синтезата на глюкоза от аминокиселини. Така предвиждащата регулация подготвя организма още в края на нощта за повишения разход на глюкоза, който го очаква в сутрешните часове и предотвратява развитието на хипогликемия. ПОЛОЖИТЕЛНА ОБРАТНА ВРЪЗКА Освен регулаторни механизми с отрицателна обратна връзка в организма се срещат макар и рядко и положителни обратни връзки. При положителната обратна връзка действието на ефектора върху обекта на регулация не намалява, а увеличава отклонението. Например, леката деполяризация на една електровъзбудима мембрана (когато Еm намалява от -80 mV на -70 mV) води до слабо повишаване на нейната пропускли+ + вост за Na (РNa+). В резултат на това в цитозола навлиза Na и деполяризацията се увеличава (Еm става -60 mV). Увеличаването на деполяризацията води до още по-голямо + повишаване на РNa+, в резултат на което в цитозола навлиза много Na , мембраната още по-силно се деполяризира и т. н. Следователно, увеличаването на деполяризацията причинява повишаване на РNa+, а повишаването на РNa+ води до още по-голямо увели+ чаване на деполяризацията (чрез навлизането на Na ). Обратните връзки на ендокринната система са обикновено отрицателни обратни връзки. Както ще видим по-нататък, при жената по време на овулация някои отрицателни обратни връзки се превръщат в положителни, в резултат на което се стига до разпукване на Граафовия фоликул. 87
