3. Классификация гормонов, общие свойства гормонов, гормоноподобные вещества.

Все гормоны классифицируют по химическому строению, биологическим функциям и механизму действия.

1. Классификация гормонов по химическому строению

По химическому строению гормоны делят на 3 группы: пептидные (или белковые), стероидные и непептидные производные аминокислот.

2. Классификация гормонов по биологическим функциям

По биологическим функциям гормоны можно разделить на несколько групп. Эта классификация условна, поскольку одни и те же гормоны могут выполнять разные функции. Например, адреналин участвует в регуляции обме на жиров и углеводов и, кроме этого, регулирует частоту сердечных сокращений, АД, сокращение гладких мышц. Кортизол не только стимулирует глюконеогенез, но и вызывает задержку NaCl.

Регулируемые процессы	Гормоны
Обмен углеводов, липйдов, аминокислот	Инсулин, глюкагон, адреналин, кортизол, тироксин, соматотропин
Водно-солевой обмен	Альдостерон, антидиуретический гормон
Обмен кальция и фосфатов	Паратгормон, кальцитонин, кальцитриол
Репродуктивная функция	Эстрадиол, тестостерон, прогестерон, гонадотропные гормоны
Синтез и секреция гормонов эндокринных желёз	Тропные гормоны гипофиза, либерины и статины гипоталамуса
Изменение метаболизма в клетках, синтезирующих гормон	Эйкозаноиды, гистамин, секретин, гастрин, соматостатин, вазоактивный интестинальный пептид (ВИП), цитокины

Гормоны, как и другие сигнальные молекулы, обладают некоторыми общими свойствами:

- выделяются из вырабатывающих их клеток во внеклеточное пространство; 

- не являются структурными компонентами клеток и не используются как источник энергии; 

- способны специфически взаимодействовать с клетками, имеющими рецепторы для данного гормона; 

- обладают очень высокой биологической активностью - эффективно действуют на клетки в очень низких концентрациях. 

4. Пути передачи гормонального сигнала в клетку. Механизм действия гормонов белковой природы и гормонов стероидной природы.

А). Аденилатциклазная и гуанилатциклазная системы

Б). Мессенджеры второго порядка (цАМФ, цГТФ, инозитол-3-фосфат (ИТФ), диацилглицерол (ДАГ).

В). Оксид азота (II) – как модулятор образования мессенджеров.

По механизму действия гормоны можно разделить на 2 группы. К первой группе относят гормоны, взаимодействующие с мембранными рецепторами (пептидные гормоны, адреналин, цитокины, эйкозаноиды). Вторая группа включает гормоны, взаимодействующие с внутриклеточными рецепторами.

Связывание гормона (первичного посредника) с рецептором приводит к изменению конформации рецептора. Это изменение улавливается другими макромолекулами, т.е. связывание гормона с рецептором приводит к сопряжению одних молекул с другими (трансдукция сигнала). Таким образом, генерируется сигнал, который регулирует клеточный ответ путём изменения активности или количества ферментов и других белков.

Сигнальными молекулами могут быть неполярные и полярные вещества. Неполярные вещества, например стероидные гормоны, проникают в клетку, проходя через липидный бислой. Полярные сигнальные молекулы в клетку не проникают, но связываются специфическими рецепторами клеточных мембран. Такое взаимодействие вызывает цепь последовательных событий в самой мембране и внутри клетки. К полярным сигнальным молекулам относят белковые гормоны (глюкагон, инсулин, паратгормон), нейромедиаторы (ацетилхолин, глицин, γ-аминомасляная кислота), факторы роста, цитокины, эйкозаноиды.

А) Аденилатциклазная система

При участии аденилатциклазной системы реализуются эффекты различных по своей природе сигнальных молекул - гормонов, нейромедиаторов, эйкозаноидов.

Ф ункционирование системы трансмембранной передачи сигналов обеспечивают белки: Rs-рецептор сигнальной молекулы, которая активирует аденилатциклазу, и Ri-рецептор сигнальной молекулы, которая ингибирует аденилатциклазу; Gs-стимулирующий и Gj-ингибирующий аденилатциклазу белки; ферменты аденилатциклаза (АЦ) и протеинкиназа А (ПКА).

Последовательность событий, приводящих к активации аденилатциклазы:

- связывание активатора аденилатциклазной системы, например гормона (Г) с рецептором (R_s), приводит к изменению конформации рецептора и увеличению его сродства к G_s-белку. В результате образуется комплекс [Г][R][О-ГДФ];

- присоединение [Г][R] к G-ГДФ снижает сродство α-субъединицы G_s -белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. ГДФ замещается на ГТФ;

- это вызывает диссоциацию комплекса. Отделившаяся субъединица α, связанная с молекулой ГТФ, обладает сродством к аденилатциклазе:

[Г][R][0-ГТФ] → [Г][R] + α-ГТФ + βγ;

- взаимодействие α-субъединицы с аденилатциклазой приводит к изменению конформации

фермента и его активации, увеличивается скорость образования цАМФ из АТФ;

- конформационные изменения в комплексе [α-ГТФ][АЦ] стимулируют повышение ГТФ-фосфатазной активности α-субъединицы. Протекает реакция дефосфорилирования ГТФ, и один из продуктов реакции - неорганический фосфат (P_i) отделяется от α-субъединицы, а комплекс [α-ГДФ] сохраняется; скорость гидролиза определяет время проведения сигнала;

- образование в активном центре α-субъединицы молекулы ГДФ снижает его сродство к аденилатциклазе, но увеличивает сродство к βγ-субъединицам. G_s-белок возвращается к неактивной форме;

- если рецептор связан с активатором, например гормоном, цикл функционирования G_s белка повторяется.

Активация протеинкиназы А (ПКА)

- Молекулы цАМФ могут обратимо соединяться с регуляторными субъединицами ПКА.

- Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам (R) вызывает диссоциацию комплекса С₂R₂ на комплекс цАМФ₄ R₂ и С + С.

- Активная протеинкиназа А фосфорилирует специфические белки по серину и треонину, в результате изменяются конформация и активность фосфорилированных белков, а это приводит к изменению скорости и направления регулируемых ими процессов в клетке.

- Концентрация цАМФ.в клетке может регулироваться, она зависит от соотношения активностей ферментов аденилатциклазы и фосфодиэстеразы.

Большую роль в регуляции внутриклеточной сигнальной системы играет белок AKAP_s. "Заякоренный" белок AKAPs участвует в сборке ферментных комплексов, включающих не только протеинкиназу А, но и фосфодиэстеразу и фосфопротеинфосфатазу.

Каскадный механизм усиления и подавления сигнала. 

Передача сигнала от мембранного рецептора через G-белок на фермент аденилатциклазу служит примером каскадной системы усиления этого сигнала. Одна молекула, активирующая рецептор, может "включать" несколько G-белков, и затем каждый активирует несколько молекул аденилатциклазы с образованием тысяч молекул цАМФ. На этом этапе сигнал усиливается в 10²-10³ раз. Образующийся цАМФ "включают" другой фермент - протеинкиназу А, усиливая сигнал ещё в 1000 раз. Фосфорилирование ферментов протеинкиназой А ещё больше усиливает сигнал, в результате суммарное усиление равно 10⁶-10⁷ раз. Таким образом, по механизму каскадного усиления одна молекула регулятора

способна изменить активность миллионов других молекул.

Но для любой из систем трансмембранной передачи сигнала клетка имеет другую систему, подавляющую этот сигнал. Каждый из этапов в ферментном каскаде находится под контролем специальных подавляющих этот сигнал механизмов. Например, длительное действие гормона приводит к десенсибилизации мембранных рецепторов: они либо инактивируются, либо вместе с гормоном погружаются в клетку посредством эндоцитоза. В результате десенсибилизации рецепторов степень активации аденилатциклазной системы снижается. Если в клетке длительное время повышена концентрация цАМФ (повышена активность протеинкиназы А), может происходить фосфорилирование кальциевых каналов, что приводит к повышению концентрации Са²⁺ в клетке. Кальций активирует Са²⁺-зависимую фосфодиэстеразу, катализирующую превращение цАМФ в АМФ. В результате инактивации протеинкиназы А (R₂C₂) снижается скорость фосфорилирования специфических ферментов. Завершает "выключение" системы фосфопротеинфосфатаза, дефосфорилирующая фосфопротеины.

Влияние бактериальных токсинов на активность аденилатциклазы (АДФ-рибозилирование G-белков)

Для изучения функционирования G-белков аденилатциклазной системы были использованы экзогенные бактериальные яды - холерный и коклюшный токсины. Токсины в экспериментальных условиях повышают активность аденилатциклазы практически во всех клетках организма.

Холерный токсин - олигомерный белок. Одна из субъединиц - фермент АДФ-рибозилтрансфераза; проникая в клетку, она катализирует присоединение АДФ-рибозы к ос8-субъединице комплекса [α_s-ГТФ][АЦ] (этап активации аденилатциклазы).

NAD⁺+ [α_iβγ-ГТФ][АЦ] → [АДФ-рибозил-α_s ГТФ[АЦ] + никотинамид + Н⁺.

АДФ-рибозилирование ингибирует проявление ГТФ-фосфатазной активности α_s-субъединицы, не происходит дефосфорилирование ГТФ. Цикл функционирования G_s-белка останавливается на этапе активации фермента аденилатциклазы, отвечающего за образование цАМФ из АТФ. Фермент аденилатциклаза сохраняет повышенную активность в течение длительного времени.

Субъединица коклюшного токсина, проникая в клетку, катализирует АДФ-рибозилирование α-субъединицы активированного G_s-белка

NAD⁺+ [α_iβγ-ГТФ] -" [АДФ-рибозил- α_iβγ-ГТФ] + никотинамид + Н⁺.

Модифицированная α,-субъединица сохраняет высокое сродство к βγ-субъединицам, т.е. G_i-белок теряет способность диссоциировать на α_i-ГТФ и βγ-субъединицы. Таким образом, ингибирующий сигнал (α_i-ГТФ) не достигает аденилатциклазы, значит в этом случае возможна только её активация при связывании с α_s-ГТФ. Действие коклюшного токсина на клетки тканей всегда приводит к повышению уровня цАМФ.

С имптомы холеры и коклюша развиваются в результате действия токсинов, вырабатываемых соответствующими микроорганизмами.

Гуанилатциклазная система: Довольно долгое время циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ) рассматривался как антипод цАМФ. Ему приписывали функции, противоположные цАМФ. К настоящему времени получено много данных, что цГМФ принадлежит самостоятельная роль в регуляции функции клеток. В частности, в почках и кишечнике он контролирует ионный транспорт и обмен воды, в сердечной мышце служит сигналом релаксации и т.д.

Известны четыре разные формы гуанилатциклазы, три из которых являются мембраносвязанными и одна, растворимая, открыта в цитозоле. Показано, что мембраносвязанные формы состоят из 3 участков: рецепторного, локализованного на внешней поверхности плазматической мембраны; внутримембранного домена и каталитического компонента, одинакового у разных форм фермента. Гуанилатциклаза открыта во многих органах, что свидетельствует о широком ее участии в регуляции внутриклеточного метаболизма, опосредованном через цГМФ. Мембраносвязанный фермент активируется через соответствующие рецепторы короткими внеклеточными пептидами, в частности гормоном предсердным натрийуретическим пептидом (АНФ), термостабильным токсином грамотрицательных бактерий и др. АНФ, как известно, синтезируется в предсердии в ответ на увеличение объема крови, поступает с кровью в почки, активирует гуанилатциклазу (соответственно повышает уровень цГМФ), способствуя экскреции Na и воды. Гладкие мышечные клетки сосудов также содержат аналогичную рецептор-гуанилатциклазную систему, посредством которой связанный с рецептором АНФ оказывает сосудорасширяющее действие, способствуя снижению кровяного давления. В эпителиальных клетках кишечника активатором рецептор–гуанилатциклазной системы может служить бактериальный  эндотоксин, который приводит к замедлению всасывания воды в кишечнике и развитию диареи.

Б) цAMФ осуществляет функции вторичного внутриклеточного посредника в действии первичных посредников — например, ряда гормонов и нейромедиаторов. цAMФ опосредует биологическую функцию гормонов путем активации (инактивации) клеточных протеинкиназ (фосфатаз). Протеинкиназы, в свою очередь, фосфорилируют эффекторные белки и изменяют (увеличивают или уменьшают) их активность.

При активации аденилатциклазы, катализирующей образование цAMФ из АТФ, или блокировании фосфодиэстеразы, осуществляющей деградацию этого цAMФ, концентрация цAMФ в клетке увеличивается. Таким образом, содержание цАМФ в клетке определяется соотношением активностей этих двух ферментов. Связь между гормоном или др. химическим сигналом (первый посредник) и цAMФ (второй посредник) осуществляет аденилатциклазный комплекс. Гормон, взаимодействуя с рецептором, активирует аденилатциклазу, которая образует цAMФ из АТФ.

Концентрация цAMФ, образующегося в клетке, превышает концентрацию действующего на клетку гормона в 100 раз. В основе механизма действия цAMФ в тканях животных и человека лежит его взаимодействие с протеинкиназами, например, протеинкиназы А. Связывание цAMФ с регуляторной субъединицей протеинкиназы приводит к диссоциации фермента и активации его каталитической субъединицы, которая, освободившись от регуляторной субъединицы, способна фосфорилировать определённые белки (в том числе ферменты). Изменение свойств этих макромолекул путём фосфорилирования меняет и соответствующие функции клеток. цAMФ играет определённую роль в морфологии, подвижности, пигментации клеток, в кроветворении, клеточном иммунитете, вирусной инфекции и др.

Циклический гуанозинмонофосфат это циклическая форма нуклеотида, образующаяся из гуанозинтрифосфата (GTP) ферментом гуанилатциклазой. цГМФ действует как вторичный посредник и его действие подобно цАМФ, в основном активируя внутриклеточные протеинкиназы в ответ на связывание с клеточной мембраной пептидных гормонов (для которых мембрана непроницаема) с внешней стороны клетки.

Инозитолтрифосфат - это водорастворимый второй посредник, диффундирующий в цитозоль. Он действует в первую очередь путем высвобождения кальция (Ca) из эндоплазматического ретикулума. Например, он активирует кальция (Ca) -зависимую фосфокиназу, фосфорилирующую ферменты.

Внутриклеточная система второго посредника ИФ3 также может управляться множеством внешних медиаторов и гормонов, в том числе ацетилхолином, серотонином, вазопрессином и тиреотропным гормоном; как и система цАМФ, она характеризуется разнообразными внутриклеточными эффектами. Возможно, эта система активируется и светом в зрительном рецепторе глаза, и играет центральную роль в фототрансдукции. Впервые в индивидуальном развитии организма рецептор системы ИФ3 активируется спермием, вследствие чего ИФ3 принимает участие в регуляторных реакциях, сопровождающих оплодотворение яйцеклетки.

Липидная субъединица ДАГ также переносит сигнал, диффундируя в липидной фазе плазматической мембраны к расположенной на ее внутренней поверхности С-киназе, которая и активируется с участием фосфатидилсерина в качестве кофактора. Затем С-киназа запускает фосфорилирование белков, переводя их в активную форму.

В передаче сигнала диацилглицерол используется как вторичный посредник липидной природы и является продуктом гидролиза фосфоинозитолдифосфата (PIP2) ферментом фосфолипазой С (PLC), связанным с мембраной, который в этой же реакции образует инозитолтрифосфат (IP3). Хотя инозитолтрифосфат перемещается в цитозоль, диацилглицерол остается связанным с плазматической мембраной ввиду ее гидрофобных свойств. 

Диацилглицерол является активатором протеинкиназы С (PKC). Образование диацилглицерола в мембране облегчает транслокацию протеинкиназы С из цитозоля в плазматическую мембрану. Протеинкиназа С является Са-кальмодулинзависимой, однако диацилглицерол повышает её сродство к Са-кальмодулину, вызывая активацию при более низкой концентрации ионов кальция в цитоплазме.

Диацилглицерол является короткоживущим соединением, он может фосфорилироваться с образованием фосфатидной кислоты или расщепляться с образованием арахидоновой кислоты, необходимой для синтеза простагландинов.

В) NO можно рассматривать как мессенджер 2 порядка, запускающего работу гуанилатциклазного каскадного механизма. Гуанилатциклаза может быть в мембране и в цитоплазме.

Образуется NO под дейcтвием NO-синтазы из l-аргинина->l-цитрулин-> NO.

NO-синтаза – НАДФ зависимый фермент. Процесс происходит в присутствии О2. Активность NO-синтазы регулируется нейромедиаторами. Образовавшийся NO связывается с гемом, который является частью фермента гуанилатциклазы. При этом гуанилатциклаза начинает нарабатывать цГМФ из ЦТФ. цГМФ стимулирует протеинкиназу, фосфорилирующую соответствующие белки в клетке. Например, в гладких мышцах ими являются легкие цепи миозина, происходит расслабление гладкой мускулатуры. Т.О. главная мишень для NO – гуанилатциклаза.

NO способен связываться с супероксиданионами, образуя пероксинитриты, которые распадаются на гидроксиланион NO₂. И то, и другое – свободные радикалы. Это обеспечивает бактерицид. и противоопухолев. рец-р NO. В клетках почек под действием NO повышается уровень матричной РНК, кодирующей АМК последовательность ренина.

Т_1/2 – короткий (5с)

Выполняет важные функции:

- участвует в бактерицидном и и противоопухолевом эффектах лейкоцитов;

- является связанным с эндотелием фактором, расслабляющим гладкие мышцы сосудов;

- роль сигнальной молекулы в различных нейрональных функциях;

- при повышенной продукции является медиатором воспаления при ревматических аутоимунных заболеваниях;

- при повышенной продукции играет роль в росте опухолей;

- участвует в расслаблении сосудов при действии ^ температур.

- благодаря повышению активности гуанилатциклазы способствует трансмембранному переносу ионов Са²⁺.

- тормозит агрегацию тромбоцитов.