Прямые взаимодействия клеток задают независимый ритм метаболическим процессам

Рис. 1. При химической сигнализации клетка может воздействовать на себя (аутокринная сигнализация), на клетку, соединённую щелевыми контактами, на соседнюю клетку (паракринная сигнализация) или на удалённую клетку (эндокринная сигнализация). Паракринная сигнализация воздействует на соседние клетки, эндокринная сигнализация использует кровеносную систему для транспортировки лигандов, а аутокринная сигнализация воздействует на сигнальную клетку. Передача сигнала через щелевые контакты подразумевает непосредственное перемещение сигнальных молекул между соседними клетками. (Иллюстрация с сайта https://opentext.csu.edu.au/secretlivesofcells/chapter/cell-signalling)

В статье сделан обзор современных представлений о стабильности прямых межклеточных взаимодействий, как регулятора внутритканевых ритмов различных метаболических процессов: синтеза белка, активности протеаз и АТФ-азы, разрушения и сборки ядерной оболочки. Экспериментальные данные говорят о метаболической самосинхронизации клеток в культуре при условии постоянства среды. Представляется, что ключевым процессом межклеточных взаимодействий является активация протеинкиназ.

Основные регуляции функций высших животных осуществляет, как известно, нервная система и также отдаленные от клеточных популяций гормональные (эндокринные) влияния.

В обзоре приводятся факты прямых взаимодействий клеток (рис. 1) внутри какой-либо популяции (на примерах печени, слюнных желез, кожи), чему способствуют:
1. Перемещение из клетки в клетку ионов и малых молекул.
2. Образование специальных пограничных структур, облегчающих такой переход.
3. Сигнальные молекулы в клеточной среде, включающие процессы согласования активности клеток. Среди них найдены трансмиттеры крови: норадреналин, глутаминовая кислота, серотонин и его производное мелатонин, а также ганглиозиды.

Обоснована модель для определения и исследования прямых межклеточных отношений: плотные и редкие клеточные культуры. Индикатором таких отношений взяты околочасовые (ультрадианные) клеточные ритмы. В обзоре перечислены такие ритмы, найденные в конце 1950-х для массы клеток, а затем для синтеза белка, активности ферментов, аденилатов, включая АТФ и цАМФ, pH цитоплазмы, дыхания клеток. Ритмы выявлены у бактерий и многоклеточных, в том числе млекопитающих. В суточных плотных культурах околочасовой ритм определяется через несколько минут после начала анализа. В редких культурах ритма в это время нет.

Добавление в среду редких культур какого-либо сигнального фактора, например, фенилэфрина (фармакологический аналог норадреналина) или мелатонина, выявляет ритм в редких культурах через несколько минут. Опыт, в котором после денервации печени в ней сохраняется ритм синтеза белка, говорит о том, что в организме действуют именно факторы среды.

О стабильности прямых межклеточных взаимодействий говорит и их биохимический механизм. Использованием стимуляторов и ингибиторов процессов в экспериментах было показано, что после действия сигнала на мембрану в клетке увеличивается содержание ионов кальция в результате их выделения из цитоплазматических депо и активируются кальций-зависимые протеинкиназы. Альтернативный путь, когда сигнал активирует аденилатциклазу и в результате синтезируются АТФ и цАМФ, что приводит к активации цАМФ-зависимых протеинкиназ. В свою очередь показано, что активация протеинкиназ вызывает сдвиг в ритме синтеза белка.

Рис. 2. Показатели стабильности прямых взаимодействий клеток. (Иллюстрация из обсуждаемой статьи)

Все эти данные, изложенные в обзоре, утверждают стабильность прямых межклеточных отношений и их индикатора околочасового ритма (рис. 2). О том же говорит и температурная их устойчивость, отмеченная сначала для делений дробления, а затем для разных состояний клеток в культуре и в организме. Так, околочасовые ритмы сохраняются во время спячки животных (сусликов). Сохраняются метаболические околочасовые ритмы и при торможении ритма митозов, о чем свидетельствуют опыты с остановкой делений дробления.

В обзоре приведены наши экспериментальные данные, подтверждающие математическую модель И.М. Гельфанда и М.Л. Цетлина о самосинхронизации осцилляторов в общей среде. Получены культуры гепатоцитов с противофазными колебаниями околочасового ритма синтеза белка. В культурах из смеси равных количеств таких клеток обнаружен ритм, а не линейная кинетика.

Факты, изложенные выше, поддерживают представление о гомеодинамике, как форме гомеостаза.