Молекулярный механизм действия

Гормоны, в широком смысле слова, являются биологически активными веществами и носителями специфической информации, с помощью которой осуществляется связь между различными клетками и тканями, что необходимо для регуляции многочисленных функций организма. Информация, содержащаяся в гормонах, достигает своего адресата благодаря наличию рецепторов, которые переводят ее в пострецепторное действие (влияние), сопровождающееся определенным биологическим эффектом. В настоящее время различают следующие варианты действия гормонов:

1) гормональное, или гемокринное, т.е. действие на значительном удалении от места образования;

2) изокринное, или местное, когда химическое вещество, синтезированное в одной клетке, оказывает действие на клетку, расположенную в тесном контакте с первой, и высвобождение этого вещества осуществляется в межтканевую жидкость и кровь;

3) нейрокринное, или нейроэндокринное (синаптическое и несинаптическое), действие, когда гормон, высвобождаясь из нервных окончаний, выполняет функцию нейротрансмиттера или нейромодулятора, т.е. вещества, изменяющего (обычно усиливающего) действие нейротрансмиттерɑ;

4) паракринное — разновидность изокринного действия, но при этом гормон, образующийся в одной клетке, поступает в межклеточную жидкость и влияет на ряд клеток, расположенных в непосредственной близости;

5) юкстакринное – разновидность паракринного действия, когда гормон не попадает в межклеточную жидкость, а сигнал передается через плазматическую мембрану рядом расположенной другой клетки;

6) аутокринное действие, когда высвобождающийся из клетки гормон оказывает влияние на ту же клетку, изменяя ее функциональную активность;

7) солинокринное действие, когда гормон из одной клетки поступает в просвет протока и достигает таким образом другой клетки, оказывая на нее специфическое воздействие (например, некоторые желудочно-кишечные гормоны)[1 С 499; 2; 3 С 248].

Гормоны осуществляют свое биологическое действие, комплексируясь с рецепторами – информационными молекулами, трансформирующими гормональный сигнал в гормональное действие. Большинство гормонов взаимодействуют с рецепторами, расположенными на плазматических мембранах клеток, а другие гормоны – с рецепторами, локализованными внутриклеточно, т.е. с цитоплазматическими и ядерными. Белковые гормоны, факторы роста, нейротрансмиттеры, катехоламины и простагландины относятся к группе гормонов, для которых рецепторы расположены на плазматических мембранах клеток. Взаимодействие гормона с рецептором, имеющим один трансмембранный фрагмент, приводит к активированию ферментов (тирозинкиназы, фосфаттирозинфосфатазы и др.), осуществляющих фосфорилирование тирозиновых остатков на белковых молекулах. Практически во всех тканях организма инсулин влияет на обмен углеводов, жиров, белков и электролитов, увеличивая транспорт глюкозы, белка и других веществ через мембрану клетки. Своё биологическое действие на уровне клетки инсулин осуществляет через соответствующий рецептор. Рецептор к инсулину представляет собой тетрамерную белковую структуру, являющуюся составной частью мембраны клетки. В многочисленных исследованиях установлено, что рецептор включает две субъединицы, каждая из которых также состоит из двух частей. 2 α- и 2 ß –субъединицы связаны дисульфидными связями и нековалентными взаимодействиями. Полипептидная цепь α-субъединицы состоит из 719 аминокислотных остатков, а ее молекулярная масса– 135000 D. ß -Субъединица включает 620 аминокислотных остатков и имеет молекулярную массу 95000 D. α- и ß-субъединицы – гликопротеины с углеводной частью на наружной стороне мембраны. Α -субъединицы находятся вне мембраны на ее поверхности. Центр связывания инсулина образован N-концевыми доменами α-субъединиц. Несмотря

на димерную структуру рецептора, только одна молекула лиганда может осуществить все контакты, необходимые для высокоаффинного связывания. B-субъединица обладает тирозинкиназной активностью, которая повышается под влиянием инсулина после его связывания с α-субъединицей. Несколько участков β-субъединицы аутофосфорилируются по остаткам тирозина: Тир⁹⁶⁰, Тир⁹⁵³ и Тир⁹⁷²— в трансмембранном участке; Тир¹¹⁴⁶, Тир¹¹⁵⁰ и Тир¹¹⁵¹— в регуляторном участке; Тир¹³¹⁶ и Тир¹³²²— в СООН-концевом участке. Стимулированное инсулином аутофосфорилирование β-субъединицы по остаткам тирозина приводит к фосфорилированию других внутриклеточных белков - субстратов инсулинового рецептора (IRS). Известно несколько таких субстратов: IRS1, IRS2, IRS3 и IRS4. Grb-1 и Shc также относятся к семейству субстратов инсулинового рецептора, но отличаются от IRS аминокислотной последовательностью. Grb-1 содержит несколько сайтов фосфорилирования, a Shc - только один. Главную роль в формировании ответной реакции клетки на инсулиновый сигнал играет IRS-1. IRS-1 - фосфопротеин, состоящий из более чем 1200 аминокислотных остатков, часть остатков тирозина фосфорилирована. При стимуляции инсулином степень фосфорилирования IRS-1 увеличивается и придаёт ему способность соединяться с другими цитозольными белками. Фосфорилированные остатки тирозина в этих белках нековалентно связываются с доменами SH2 адапторных белков(таких как фосфатидилинозитол-3-киназы, Grb2 и фосфотирозин фосфатазы). Инициируется каскад реакций, который в конечном счете активирует транскрипцию ядерных факторов, транспорт глюкозы и белков и синтез гликогена[1; 2; 3 С 250, 270; 8 С 28; 11 С 432; ].

Рецептор выполняет три основные функции: 1) с высокой специфичностью распознает в молекуле места связывания инсулина и осуществляет комплексирование с последним; 2) опосредует передачу соответствующего сигнала, направленного на активизацию внутриклеточных обменных процессов; 3) осуществляет эндоцитоз (погружение внутрь клетки) гормонорецепторного комплекса, что приводит к лизосомальному протеолизу инсулина с одновременным возвращением субъединицы к мембране клетки.

Ген, ответственный за синтез рецептора к инсулину, локализуется на коротком плече 19-й хромосомы. Электронномикроскопические исследования показали, что после связывания инсулина с рецептором клетки весь комплекс погружается в цитоплазму, достигает лизосом, где и разрушается. Период полураспада собственно рецептора составляет 7-12 ч, но в присутствии инсулина уменьшается до 2-3 ч. В лизосомах под влиянием протеолитических ферментов происходит диссоциация инсулинорецепторного комплекса, и рецептор возвращается к мембране клетки (функция шатла). Прежде чем рецептор подвергнется деградации, он успевает несколько раз переместиться от мембраны к лизосомам и обратно (рециклизация рецептора).

Действие инсулина начинается с процесса его соединения с a-субъединицей рецептора. Образование инсулинорецепторного комплекса – основной момент в дальнейшем проявлении многочисленных биологических эффектов инсулина. Взаимодействие инсулина с рецептором приводит к повышению активности протеинкиназы С, фосфорилированию остатков тирозина рецептора и стимуляции последующего самофосфорилирования рецептора. Кроме того, взаимодействие инсулина с рецептором приводит к стимуляции специфической фосфолипазы С, к гидролизу гликозилфосфатидилинозитола и образованию двух вторичных мессенджеров: инозитолтрифосфата и диацилглицерина. Инозитолтрифосфат высвобождает кальций из эндоплазматического ретикулума. Диацилглицерин действует на кальмодулин и протеинкиназу С, которая фосфорилирует различные субстраты, приводя к изменению активности клеточных систем[1; 2; 3 С 270; 5].

После гормональнорецепторного взаимодействия аутофосфорилирование усиливает как активность тирозинкиназы в другом димере, так и фосфорилирование внутриклеточных субстратов. Рецепторная тирозинкиназа является аллостерическим ферментом, в котором внеклеточный домен является регуляторной субъединицей, а внутриклеточный (цитоплазматический) домен – каталитической субъединицей. Активирование или фосфорилирование тирозинкиназы осуществляется через связывание с адапторным или SH2 белком, состоящим из двух SH2 доменов и одного SH3 домена. SH2 домены связывают специфические фосфотирозины рецепторной тирозиновой киназы, а SH3 связывают ферменты или сигнальные молекулы.

SH-2 и SH-3 - два типа доменов, часто используемые белками для связывания с другими белками, входящих в одну цепочку передачи сигнала. Названы так потому, что они гомологичны участкам Src-белка с аналогичными функциями. SH-2 домены связываются с определенными тирозин содержащими последовательностями белков, при условии, что тирозин в этих последовательностях фосфорилирован. При связывании SH-2 содержащий белок может активироваться. SH-3 домен связывается с PXXP последовательностями в белках и обеспечивает якорные функции: SH-2 и SH3-содержащие белки могут присоединяться к фосфотирозину в рецепторе своим SH2-доменом и к последующему участнику цепи передачи сигнала SH3 доменом. SH2- компактный глобулярный домен, состоящий из 100 аминокислотных остатков, SH3- глобулярный домен из 60 аминокислотных остатков, взаимодействующий с короткими (10 аминокислотных остатка) консервативными последовательностями, богатыми пролином и гидрофобными остатками[11, 12].

Белки, содержащие SH2- SH3-домены

I-я группа (белки, имеющие ферментативную активность или известные функции):

1. Цитоплазматические тирозинкиназы семейств Src, Abl, Csk (SH2-домен и SH3- домен).

2. Фосфолипаза С-гамма (два SH2-домена и SH3- домен).

3. GAP-120 белок, активирующий ГТФазу Ras белка (SH2-домен и SH3-домен).

4. Тирозинфосфатазы PTP1C (два SH2-домена) и PTP1D (SH-PTP2/SYP) (два SH2-домена).

5. Регуляторная субъединица p85 фосфатидилинозитол-3-киназы (PI3K) (два SH2-домена и SH3- домен).

II-я группа (адаптерные белки, состоящие исключительно из SH2- SH3- доменов): Белок Shc (SH2-домен), белок Nck (SH2-домен, три SH3-домена), белок Crk (SH2-домен, два SH3-домена), Grb2 (growth-factor-receptor-binding protein), (SH2-домен, два SH3-домена).

Действие инсулина опосредуется тремя основными сигнальными системами, в состав которых входит большое число регуляторных факторов —PI3K/Akt, Ras/MAPK и CAP/Cbl[12, 13].