6. Вторичные посредники, их строение. Роль, отличие друг от друга.

Вторичные посредники дают возможность гормонам, не растворимым в жирах и не могущих проникнуть внутрь, оказывать действие на метаболизм внутри клетки. Они быстро преобразуют и усиливают сигнал, образующийся при связывании гормона с рецептором на клеточной поверхности. К вторичным посредникам относится цАМФ, цГМФ, концентрация кальция и ДАГ и инозитол-1,4,5-трифосфат (IP3).

Несмотря на различие биохимической структуры, результат их действия оказывается примерно одинаковым и заключается в передаче гормонального сигнала в клетку. Отличаются друг от друга эти вещества химической природой, специфичностью их действия на клеточный метаболизм.

7.Механизмы действия гормонов.

Все известные гормоны действуют путем изменения активности внутриклеточных ферментов и по механизму действия подразделяются на 3 группы: гормоны, изменяющие активность внутриклеточных ферментов путем их модификации. Эти гормоны связываются с рецепторами, расположенными на поверхности клеток (в плазматической мембране) и действуют через вторичные посредники (мессенджеры):

а) могут оказывать действие, активируя аденилатциклазу, т.е. (повышают уровень цАМФ), к ним относятся катехоламины, большинство белково-пептидных гормонов (за исключением инсулина);

б) биологически активные вещества, действующие через ц.ГМФ. Это предсердный натрий-уретический фактор, брадикинин, ацетилхолин, гистамин, оксид азота и нитропрепараты, применяемые при ишемической болезни сердца, также действуют через ц.ГМФ;

в) гормоны, действующие через ионы кальция и фосфатидилино

зитол. К ним относят: норадреналин, окситоцин, гонадотропин-рилизинг-фактор, тиреотропинрилизинг-фактор, вазопрессин и др.

По первому механизму действуют кроме инсулина гормоны белково-пептидной природы и катехоламины. Для этих гормонов характерны быстрота, мощность, кратко­временность действия – это гормоны стресса.

II. Гормоны, изменяющие активность внутриклеточных ферментов путем изменения скорости синтеза ферментов. Эти гормоны связываются с внутриклеточными рецепторами: цитозольными, ядерными или рецепторами органоидов. К данным гормонам относятся стероидные и тироидные гормоны.

3. Гормоны, изменяющие активность внутриклеточных ферментов путем изменения проницаемости плазматической мембраны. Эти гормоны связываются с рецепторами плазматических мембран и свое действие опосредуют через вторичные посредники, преимущественно с использованием тирозинкиназно-фосфатазной системы. При этом происходит изменение активности внутриклеточных ферментов за счет повышения концентрации субстратов, активации белков-транспортеров и ионных каналов. К таким гормонам относятся инсулин, соматомедины, пролактин, вазопрессин.

8. Первый механизм. Как было сказано выше гормоны, действующие по этому механизму, влияют на активность внутриклеточных ферментов и опосредуют свое действие через вторичные мессенджерные системы: 1) аденилатциклазную; 2) гуанилатциклазную; и 3) кальций-кальмодулиновую и фосфотидилинозитидную системы.

Аденилатциклазная система состоит из трех частей: I - узнающая часть, представленная рецептором, расположенным на наружной поверхности клеточной мембраны, являет­ся кислым белком типа гликопротеидов. II часть — сопря­гающий белок (G-белок). G-белок бывает 2 видов: Gs – активирующий и Gi – ингибирующий. Каждый из этих белков является тримером, состоящим из 3-х субъединиц – , , . - и -субъединицы одинаковые у обоих белков. В неактивном виде G-белок связан своей -субъединицей с гуанозиндифосфатом.

III часть — каталитическая, является ферментом аденилатциклазой, находящейся на внутренней поверхности мембраны, ак­тивный центр его обращен внутрь клетки. Аденилатциклаза – аллостерический фермент, состоит из одной полипептидной цепи (молекулярная масса 120000-150000). Фермент имеет 2 SH-группы, одна для сопряжения с Gs-белком, а вторая для проявления каталитической активности.

При передаче гормонального сигнала внутрь клет­ки гормон образует с узнающей частью рецептора комплекс, который воздействует на Gs-белок и способствует связыванию -субъединицы с ГТФ. Этот комплекс отщепляется от димера - и диффундирует к аллостерическому центру аденилатциклазы, вызывая её активацию. В присутствии ионов магния активная аденилатциклаза расщепляет АТФ на ц-АМФ и пирофосфат.

ц.АМФ взаимодействует с протеинкиназой А, имеющий в неактивном состоянии тетрамерное строение, т.е. состоит из 2-х регуляторных (на каждом есть по два центра связывания с ц.АМФ) и 2-х каталитических субъединиц. цАМФ связывается с регуляторными субъединицами протеинкиназы А и вызывает диссоциацию фермента - отщепляются 2 регуляторные субъединицы с 4 цАМФ, а 2 каталитические субъединицы образуют активную форму протеинкиназы А. Протеинкиназа А катализирует перенос от АТФ фосфатной группы на ОН-группы серина и треонина ряда белков и ферментов клеток-мишеней, т.е. является серин-треонин-киназой. Есть некоторые гормоны, которые снижают уровень цАМФ, они тормозят активность аденилатциклазы, например, соматостатин. Этот гормон, связываясь со своим рецептором передает импульс через Gi-белок, поэтому активность аденилатциклазы тормозится.

Белками, на которые будут переноситься остатки фосфорной кислоты при фосфорилировании с участием протеинкиназы А, могут быть некоторые ферменты (например, фосфорилаза, липаза, гликогенсинтетаза, метилтрансферазы), белки рибосом, ядер, мем­бран. При фосфорилировании неактивных форм фосфорилазы и липазы наблюдаются конформационные изменения в их молеку­лах, что ведет к повышению их активности. Однако фосфорилирование гликогенсинтетазы приводит, наоборот, к торможению ее активности. Присоединение фосфорной кислоты к белкам рибосом повы­шает их белок-синтезирующую активность. Если фосфор­ная кислота присоединяется к ядерным белкам, то связь меж­ду белком (гистоном) и ДНК ослабляется, что ведет к уси­лению транскрипции, а значит и к повышенному синтезу белков. Фосфорилирование белков мембран повышает их проницаемость для ряда веществ, в частности для ионов. Аценилатциклазная система дейст­вует по каскадному механизму, многократно усиливая гормо­нальный сигнал. Так один гормон - рецепторный комплекс приводит к образованию 500 ц-АМФ, ц-АМФ активизирует 100 протенкиназ, одна протеинкиназа активирует 1000 ферментов. Отсюда одна молекула гормона способствует активации 50 млн. ферментов.

Т.о., под действием гормонов, действующих через ц-АМФ, ускоряется гликогенолиз, липолиз, синтез белков, транспорт ионов, секреция эндо­кринных и экзокринных желез.

Снятие сигнала гормона, действующего через цАМФ, происходит следующим образом:

1) гормон быстро разрушается, и, следовательно, разрушается комплекс гормон-рецептор. При диссоциации этого комплекса прекращается его действие на G-белок; гуанозинтрифосфат, находящийся в связанном с этим белком состоянии, расщепляется на гуанозиндифосфат и фосфорную кисло­ту, выделившаяся энергия при этом используется на соединение субъединиц (, , ) G-белка;

1. для снятия гормонального сигнала в клет­ках существует особый фермент фосфодиэстераза, который превращает ц-АМФ в адениловую кис­лоту. Освободившиеся от ц-АМФ регуляторные части протеинкиназы А вновь соединяются с каталитическими частями, образуя неактивный фермент;

2. фосфорилированные ферменты под влиянием протеинфосфатаз инактивируются.

Гуанилатциклазная система. Гуанилатциклаза имеет мембраносвязанную и растворимую (цитозольную) формы. Мембраносвязанная форма фермента состоит из 3-х участков:

1. узнающего (на внешней стороне плазматической мембраны);

2. трансмембранного;

3. каталитического, одинакового у разных форм фермента.

Гуанилатциклаза обнаружена во многих органах и тканях – сердце, легких, надпочечниках, эпителии кишечника, сетчатке глаза. Это доказывает, что регуляция через цГМФ имеет место в регуляции внутриклеточного метаболизма в широких масштабах.

Мембраносвязанная форма фермента активируется через соответствующие рецепторы короткими внеклеточными пептидами, например, предсердным натрий-уретическим фактором. Натрий-уретический фактор синтезируется в предсердии в ответ на повышение объема циркулирующей крови, поступает в почки, активирует в них гуанилатциклазу, что приводит к повышению экскреции натрия и воды. Гладкие мышечные клетки также содержат аналогичную гуанилатциклазную систему, через которую осуществляется их расслабление. Действуют через эту систему вазодилататоры, как эндогенные (О^-), так и экзогенные. В эпителиальных клетках кишечника активатором гуанилатциклазы может служить бактериальный эндотоксин, который приводит к замедлению всасывания воды и развитию диареи.

Растворимая форма гуанилатциклазы (цитозольная) – гемсодержащий фермент. Апофермент имеет 2 субъединицы. В регуляции активности этого фермента принимают участие нитровазодилататоры, активные формы кислорода (например, оксид азота), продукты ПОЛ, эндотелиальный фактор релаксации. ц.ГМФ действует на протеинкиназу G, или цГМФ-зависимую протеинкиназу – фермент, который состоит из 2 субъединиц. В каждой субъединице имеется 2 регуляторных и 2 каталитических центра. ц.ГМФ связывается с регуляторными участками протеинкиназы G, вызывая ее активацию. Протеинкиназа G и протеинкиназа А, являясь серин-треонин-киназами, ускоряют фосфорилирование серина и треонина разных белков и ферментов, оказывая различное биологическое действие. Протеинкиназа G повышает активность гликогенсинтетазы, тормозит агрегацию тромбоцитов, активирует фосфолипазу С, высвобождение Са²⁺ из его депо. Т.о., по своим проявлениям ц-ГМФ является антагонистом ц-АМФ.

Один и тот же гормон может действовать и через ц-ГМФ, и через ц-АМФ. Эффект зависит от того, с каким рецептором связались гормоны. Например, адреналин может связаться как с -, так и с -рецепторами, поэтому может оказывать различный эффект в зависимости от типа связанного рецептора. Образование комплекса адреналина с -рецепторами способствует образованию ц-АМФ, а с -рецепторами – ц-ГМФ.

Кальций-кальмодулиновая и фосфатидилинозитидная система

Внутриклеточными посредниками гормонов могут служить и ионы кальция, выполняющие роль регулятора благодаря изменению своей концентрации. Внутри клетки концентрация ионов кальция ничтожно мала (10^–7 моль/л), а снаружи клетки и внутри органоидов на несколько порядков выше (10^-3 моль/л). Поступление кальция из внешней среды внутрь клетки осуществляется по кальциевым каналам мембраны. Поток кальция регулируется кальций-зависимой АТФ-азой мембраны, в осуществлении ее функции регулирующую роль могут выполнять инозитолтрифосфат и инсулин. Внутри клетки ионы Са²⁺ депонируются в матриксе митохондрий и эндоплазматическом ретикулуме. Са²⁺, поступающий в цитоплазму из внешней среды или из внутриклеточных депо, взаимодействует с Са²⁺-зависимой кальмодулинкиназой. Кальций связывается с регуляторной частью фермента, каковой является кальцийсвязывающий белок – кальмодулин, при этом происходит активация фермента. Известно, что кальмодулин имеет несколько центров (до 4-х) для связывания с ионами кальция или магния. В покое кальмодулин связан с магнием, при увеличении концентрации кальция в клетке, кальций вытесняет магний. Кальмодулин является регуляторной субъединицей не только Са²⁺-зависимой кальмодулинкиназы, но и других кальцийсвязывающих ферментов и белков. При незначительном увеличении концентрации кальция образуется комплекс Са²⁺-Mg²⁺-кальмодулин, который активирует аденилатциклазу. При значительном увеличении кальция образуется комплекс 4Са²⁺-кальмодулин, который активирует гуанилатциклазу и фосфодиэстеразу цАМФ.

Действие гормонов через ионы кальция часто сочетается с использованием в качестве посредника производных фосфатидилинозитола. Рецептор в таких случаях находится в комплексе с G-белком и при взаимодействии рецептора с гормоном (например, ТТГ, пролактин, СТГ) происходит активация мембраносвязанного фермента - фосфолипазы С, которая ускоряет реакцию распада фосфатидилинозитол-4,5-бифосфата с образованием ДАГ и JР₃ .

ДАГ и JР₃ являются вторичными посредниками в действии соответствующих гормонов. ДАГ вызывает активацию протеинкиназы С, которая, в свою очередь, вызывает фосфорилирование белков ядер, тем самым, усиливается пролиферация клеток-мишеней. Под действием JР₃ усиливается выход кальция из внутриклеточных депо (эндоплазматического ретикулума).

По первому механизму действуют кроме инсулина гормоны белково-пептидной природы и катехоламины. Для этих гормонов характерны быстрота, мощность, кратко­временность действия – это гормоны стресса.

9. Основные механизмы развития эндокринных заболеваний.

В целом, большинство гормональных заболеваний развивается вследствие уменьшения или повышения ( относительного или абсолютного) выработки гормона. Второй причиной может быть потеря клеткой чувствительности к гормону.