Кожен організм піддається численним впливам. Ці дії можна поділити на дві великі групи: вітальні - безпосередньо впливають на життєздатність (наприклад, смертельна травма, заподіяна хижаком), і сигнальні - несуть інформацію про зовнішнє середовище. Очевидно, що на багато сигнали необхідно реагувати, тобто організм повинен виробити певний біологічний відповідь.
Загальну схему формування біологічної відповіді можна представити у вигляді трьох послідовних етапів. На першому етапі відбувається сприйняття сигналу конкретним рецепторних білком, що має високу специфічність до даного сигналу. Виявивши сигнал, рецептор змінює конформацію і тим самим сповіщає організм про наявність впливу. Сприйнятий сигнал необхідно перетворити і передати в перетвореному вигляді на відповідні структури. Даний етап називають трансдукцией сигналу. Як правило, його здійснюють спеціальні білки (білки-посередники), а також різні допоміжні молекули і іони. Існують різні механізми трансдукції (за державний кошт або синтезу, або активації білків-посередників), але в кінцевому підсумку сигнал досягає необхідних структур і призводить до запуску третього, останнього етапу, тобто до безпосередньої реалізації біологічної відповіді.
Розрізняють 2 типу біологічних відповідей в залежності від швидкості формування:
Зокрема, процеси каскадної активації білків можуть здійснюватися в організмі дуже швидко (іноді всього лише за тисячні частки секунди) і тому зумовлюють швидкі біологічні відповіді. Тим часом каскади з використанням транскрипційних факторів вимагають досить тривалих проміжків часу (декількох хвилин, годин або навіть днів) і в підсумку призводять до повільним біологічним відповідей.
Швидкі біологічні відповіді реалізуються за рахунок нервової системи. Гуморальна система - система повільних біологічних відповідей.
Молекулярні механізми функціонування нервової системи тісно пов'язані з формуванням і проведенням нервових імпульсів.
Вихідною причиною, що лежить в основі формування імпульсу, є сприйняття нейроном певного сигналу. Цю функцію виконують молекули відповідного рецептора, розташовані, як правило, на зовнішній мембрані нейрона. Виявивши сигнал, рецептори змінюють свою конформацію і тим самим впливають на сусідні іонні канали, змушуючи їх перейти з закритого стану у відкрите.
Механізми такого впливу можуть бути різними. У деяких випадках (наприклад, в чутливих нейронах, що забезпечують сприйняття теплових або механічних сигналів) самі рецептори одночасно є і іонними каналами, тому активація даних рецепторних білків безпосередньо призводить до значної деполяризаціїмембрани і в результаті - практично до миттєвого формування імпульсу. Такі рецептори прийнято називати іонотропнимі. Але найчастіше між рецепторами і іонними каналами функціонують досить складні каскади посередників.
Найбільш поширені варіанти подібних каскадів:
а - аденілатціклазную система (1 і 2 - регуляторна і каталітична суб'едіні-ці протеїнкінази А); б - фосфоліпазну система (3 і 4 - регуляторна і каталітична субодиниці Са 2 * -залежною протеїнкінази; 5 і 6 - регуляторна і каталітична субодиниці протеїнкінази С); G1 і G2 - G-білки, які обслуговують рецептори відповідно 1 і 2 (шрифтом виділені вторинні мессенлжери; пунктирними стрілками показані молекулярні каскади, що запускаються відповідними протєїнкиназамі.
Незважаючи на численні нюанси, ці каскади організовані за схожим молекулярному принципом. У них беруть участь наступні «набори» компонентів:
• рецептори. наскрізь пронизують зовнішню мембрану;
• G-білки. розташовані на внутрішній стороні мембрани і активуються в результаті зміни конформації рецепторів;
• фермент, активність якого регулюється G-білками. В одному варіанті каскаду це аденилатциклаза. в іншому - фосфоліпаза С або D;
• вторинні месенджери. тобто невеликі регуляторні молекули, службовці внутрішньоклітинними переносниками інформації про сигнал. Вони сприяють подальшій передачі і ампліфікації сигналу і характеризуються такими властивостями: мають невелику молекулярну масу і з високою швидкістю дифундують в цитоплазмі; швидко розщеплюються і швидко видаляються з цитоплазми. До них відноситься циклічний аденозинмонофосфат (скорочено - цАМФ), синтез якого забезпечується аденилатциклазой з АТФ, що знаходяться в цитоплазмі, а також інозітолтріфосфат і диацилглицерол, утворені за рахунок активності фосфоліпази з молекулярних компонентів зовнішньої мембрани. Поява цАМФ в цитоплазмі має бути імпульсним, тому надлишки даного вторинного месенджера знищуються спеціальним ферментом - фосфодіестеразою, що активізується Са2 + залежної протеїнкінази Потрібно відзначити, що поява в клітці інозітолтріфосфат призводить до викиду Са2 + з ендоплазматичної мережі, і ці іони, швидко диффундируя по всій цитоплазмі, теж стають важливими вторинними мессенджерами;
• білки, що активуються під дією вторинних месенджерів. Це особливі іонні канали. забезпечують початкову стадію деполяризаціїмембрани. Крім того, це певні протеїнкінази, які беруть активну участь в регуляції наступних процесів за рахунок фосфорилювання різних мембранних білків.
Активація однієї єдиної молекули рецептора призводить до ледь відчутного зміни потенціалу. Тим часом для того, щоб відкрилися натрієві канали (а без цього імпульс принципово не може сформуватися), необхідна досить істотна деполяризація мембрани: як правило, не менше ніж на 20 мВ. І якщо сприйнятий сигнал недостатньо інтенсивний, тобто активує занадто мало молекул рецептора, що виникло зміна не досягає необхідного порога і швидко компенсується різними іонними насосами. В результаті мембрана повертається до первісного стану, і вироблення нервового імпульсу не відбувається.
Здавалося б, цей принцип функціонування нейронів (він отримав назву «все або нічого») в корені суперечить тому загальновідомого факту, що організм не тільки розпізнає наявність сигналів, але і здатний оцінювати їх інтенсивність. Проте насправді ніякого протиріччя немає. Взаємодія між сигналом і молекулами рецептора, як і будь-які інші молекулярні взаємодії, строго підпорядковується статистичним (тобто імовірнісних) закономірностям. Це означає, що при дії сигналу фіксованої сили існує певна ймовірність формування імпульсу. Чим сильніший сигнал, тим ця вірогідність вище. Відповідно, чим вище інтенсивність сприйманого сигналу, тим частіше нейрон виробляє нервові імпульси. Саме це і служить оцінкою інтенсивності сигналу.