Глава 8. Молекулярные механизмы гормонального сигнала
Несмотря на огромное разнообразие гормонов и гормоноподобных веществ, в основе биологического действия большинства гормонов лежат сходные механизмы, передающие информацию от одних клеток к другим.
Направленность и тонкая регуляция процесса передачи информации обеспечиваются, прежде всего, наличием на поверхности клеток рецепторных молекул, узнающих гормональный сигнал. Этот сигнал рецепторы трансформируют в изменения концентраций внутриклеточных посредников (мессенджеров), уровень которых определяется активностью ферментов, катализирующих их синтез и распад.
Каждый гормон имеет свой специфический рецептор в клетках-мишенях, и действие любого гормона начинается с его рецепции, связывания с клеткой. Реализация биологического эффекта гормона зависит не только от концентрации этого гормона в плазме, но и от состояния специфического рецептора в клетках-мишенях.
Рецепторы гормонов располагаются как внутри клеток-мишеней, так и на мембранах. Стероидные гормоны благодаря своей гидрофобности хорошо преодолевают клеточные и другие мембраны, и их рецепторы расположены внутри клеток.
Гормоны белковой природы являются гидрофильными и поэтому не способны пассивно проникать через клеточные мембраны. Рецепторы для них расположены на плазматических мембранах.
8.1. Механизм действия стероидных гормонов
Механизм стероидных гормонов складывается из нескольких этапов:
а) проникновение гормона в клетку-мишень,
б) связывание с рецептором, локализованным в цитоплазме,
в) активизация комплекса стероид-рецептор и его миграция в ядро,
г) связывание активного комплекса с хроматином,
д) активизация транскрипционного аппарата клетки, приводящего к появлению новых видов РНК (иРНК, рРНК)
е) транспорт гормоно-индуцированной РНК в цитоплазму, приводящий к синтезу новых белков на рибосомах,
ж) появление специфического функционального ответа, характерного для данной клетки-мишени (рис.17).
В одной и той же клетке стероидный гормон может одновременно вызвать индукцию синтеза одних белков и репрессию (подавление) синтеза других.
Рис.17. Рецептор-опосредованная сигнализация
8.2. Механизм действия гормонов пептидной природы
Рецепторы пептидных гормонов локализованы на плазматических мембранах и имеют три домена – внеклеточный, внутримембранный и цитоплазматический. При присоединении гормона к рецептору развиваются процессы, приводящие к образованию мессенджеров. Мессенджеры активируют ферменты-протеинкиназы, являющиеся АТФ-фосфотрансферазами. Они катализируют фосфорилирование белков-регуляторов путем переноса фосфатных групп от АТФ к гидроксильным группам остатков серина, треонина, тирозина в составе этих белков.
В систему вторичных мессенджеров входят циклические АМФ (цАМФ) и ГТФ (цГТФ), ионы кальция, ионозилтрифосфат, диацилглицерол и др.
Цикло-АМФ выступает в роли вторичного посредника при действии таких гормонов, как ЛГ, ФСГ, АКТГ, липотропины, МСГ, антидиуретический гормон (АДГ), тиреолиберин, паратин, кальцитонин, глюкагон, секретин, катехоламины, мелатонин, гастрин, гистамин.
цАМФ образуется из АТФ под действием аденилатциклазы, встроенной в цитоплазматическую мембрану клеток. Аденилатциклаза – липопротеид, имеющий регуляторную и каталитическую субъединицы. Регуляторная единица связана с гормональными рецепторами через ГТФ-связывающие, или G-белки, которые выполняют роль универсальных сопрягающих белков. Установлено два типа сопрягающих белков: Gs-активирующие белки, которые стимулируют активность аденилатциклазы и увеличивают продукцию цАМФ, и ингибирующие Gi-белки, которые подавляют активность аденилатциклазы и снижают продукцию цАМФ. Оба белка состоят из 3-х субъединц – , и . При взаимодействии гормона со специфическим рецептором клетки происходят конформационные изменения G-белка. В результате освобождается -субчастица, которая взаимодействует с ГТФ, и этот комплекс активирует аденилатциклазу. G-белки обладают ГТФ-азной активностью, и поэтому в последующем происходит расщепление ГТФ с образованием ГДФ. Комплекс G-белокГТФ оказывает на аденилатциклазу ингибирующее действие, и передача гормонального сигнала завершается (рис.18).
цАМФ взаимодействует с ферментом протеинкиназой, который путем фосфорилирования активирует в клетках определенные белки – ферменты и обеспечивает физиологические эффекты данного гормона.
Протеинкиназы могут существовать в двух формах: неактивной, состоящей из 4-субъединиц, и активной.
Рис.18. Регуляция активности аденилатциклазы адреналином
В отсутствие цАМФ фермент представляет комплекс из двух каталитических (С) и двух регуляторных R субъединиц. При наличии цАМФ комплекс активируется путем обратимой диссоциации на одну регуляторную и две свободные каталитические субъединицы. Каталитические субъединицы с участием АТФ фосфорилируют другие регуляторные белки. Дефосфорилирование белков и возвращение в исходное функциональное состояние осуществляется с помощью фермента фосфопротеидфосфофатазы по схеме:
Фосфопротеид + Н2О белок + Н3РО4
Инактивация цАМФ в клетке происходит под действием фермента фосфодиэстеразы.
Наряду с цАМФ в клетках обнаружен и цГМФ, который обнаружен в гуанилатциклазной реакции. Через гуанилатциклазную систему реализуются эффекты атрипептидов, фактора роста, гистамина, глутамата.
Для ряда гормонов и нейротрансмиттеров вторичным посредником являются ионы кальция. К агентам, которые активируют рецептоуправляемые кальциевые каналы, относятся рецепторы вазопрессина, окситоцина, гастрина и т.д. Под действием гормонального стимула рецептор взаимодействует с G-связывающими белками и воздействует на рецептороуправляемые кальциевые каналы, и Cа2+ поступает из внешней среды или внутреннего депо. Уровень кальция в клетке повышается. Дальнейшая передача гормонального стимула Cа2+ происходит в разных клетках двумя путями: непосредственно воздействием на активность белков-ферментов, ионных насосов, селективных каналов проницаемости, сократительных и других белков; специфических протеинкиназ. Этот путь осуществляется взаимодействием Cа2+ с высокочувствительным к кальцию регуляторным белком-кальмодуллином, который обнаруживается во всех ядросодержащих клетках, имеет 4 участка связывания кальция. Вне кальция кальмодуллин находится в неактивном состоянии. Связывая кальций, он активирует и инициирует кальцийзависимые протеинканизы, которые фосфорилируют белки, а последние вызывают конечный эффект гормона.