Взаимодействие гормона с мембранным рецептором, передача сигнала

Связывание гормона рецептором происходит на внешней стороне клеточной мембраны. Для дальнейшего переноса индуцируемого сигнала, направленного на внутриклеточные регуляторные процессы, необходим механизм, локализованный в клеточной мембране. В трансмембранной передаче гормонального сигнала должен участвовать целый ряд компонентов. Согласно гипотезе Rodbell (см. рис. 1, 3), гормон Г связывается с рецептором Р во внешнем слое мембраны. Этот гормонрецепторный комплекс взаимодействует с нуклеотидзависимым компонентом НС, который расположен во внутреннем слое и активируется гуанилнуклеотидом (ГТФ) и двухвалентными ионами. Затем Р-НС- комплекс, в свою очередь, взаимодействует с каталитической компонентой КС (она идентична аденилатциклазе). Аденилатциклаза активируется и катализирует синтез циклического аденозинмонофосфата (цАМФ).

Рис. 1 . а) Жидкостно-мозаичная модель мембраны клетки (по Singer, Nicolson, 1972). Белки распределены между двумя слоями липидной мембраны и расположены таким образом, что у одних белков гидрофильная часть находится вне липидного слоя (СБ — стягивающие белки), у других — внутри липидного слоя (НСБ — нестягивающие белки). Поскольку НСБ двигаются свободно, эффекторный белок (ЭБ) наружного слоя может реагировать с ферментной единицей (ФЕ) внутреннего слоя и таким образом передавать сигнал с поверхности клетки внутрь клетки, б) Модель активации аденилатциклазы гормоном (Roclbell, 1980). Г — гормон; Р — рецептор; НС — нуклео-тидрегулирующая субъединица; КС — каталитическая субъединица (аденилатциклаза).

Согласно приведенной гипотезе, молекулы белка способны двигаться в жидком матриксе мембраны клетки (гипотеза лабильных рецепторов рис. 3). И действительно, в клеточную мембрану, не содержащую рецепторов можно встроить как сами рецепторы, так и Р-НС-комплекс; при этом сохраняется последовательность процессов активации гормонами. Предполагают, что по аналогии с димерной структурой рецептора упомянутые выше НС- и КС - субъединицы существуют в виде димеров. Кроме того, доказано, что НС-и КС-субъединицы являются общей эффекторной системой ряда гормонов. В исследованиях на тканях крыс обнаружены два типа НС - субъединиц, одна из которых стимулирует, а другая ингибирует каталитическую субъединицу. На рис. 2 схематически показана такая возможность для жировой ткани человека.

Рис. 2. Механизмы стимуляции и ингибирования аденилатциклазной системы в жировой ткани (по Coppper и соавт., 1979.)

 

Рис. 3. Опосредованное через протеинкиназу действие  системы вторых посредников на клетку

Открытие аденилатциклазы и цАМФ, образование которого катализируется этим ферментом, было сделано при исследовании гликогенолитического действия адреналина и глюкагона на клетки печени. Эти опыты привели Сазерленда к гипотезе двух посредников (или двухэтапной гипотезе). Согласно ей первый этап запускается сигналом, который вызывается гормоном. После селективного связывания гормона с мембранным рецептором по уже описанному механизму в клетке-мишени происходит активация аденилатциклазы (первый посредник), что в свою очередь приводит к образованию цАМФ (внутриклеточный переносчик сигнала — второй посредник) из АТФ. цАМФ запускает вторую ступень, что выражается в активации протеинкиназы, катализирующей фосфорилирование регуляторных клеточных белков в различных местах клетки, включая ядро. Всем этим запускается целый каскад специфических внутриклеточных реакций (активирование и инактивирование ферментов, изменение мембранных белков и проницаемости мембран, транспорта ионов, обмена углеводов, влияние на экспрессию генов, т. е. транскрипционные и посттранскрипционные процессы, а также синтез белков, РНК, ДНК, рост клетки и ее деление), что в итоге и составляет специфическое воздействие гормона. Наряду с активацией протеинкиназ цАМФ контролирует активность и других ферментов (например, фосфофруктокиназы, ДНК-зависимой полимеразы и т. д.). Во время реализации биологического каскада происходит значительное усиление гормонального сигнала, первоначально возникающего на клеточной поверхности, что может объяснять исключительную эффективность гормонов в пределах очень низких концентраций. Фактическое содержание цАМФ в клетке определяется скоростью его синтеза и расщепления, причем превращение цАМФ в 5' - АМФ катализируется фосфодиэстеразой. Именно благодаря этому процессу временно повышенный уровень цАМФ после контакта гормона с клеткой очень быстро возвращается к исходному.

Для большого числа пептидных или гликопептидных гормонов (АКТГ, ХГ, ФСГ, ЛГ человека, липотропного гормона, меланофорстимулирующего гормона, паратгормона, ТТГ, вазопрессина, фактора роста нервов, глюкагона, ТРГ, ЛГ- РГ), катехоламинов и простагландина E₁, связывание с рецептором приводит к активации клетки и, следовательно, к выработке цАМФ. В табл. 1 приведен ряд гормональных воздействий, индуцирующих синтез цАМФ.

Таблица 1. Примеры действия гормонов с участием цАМФ

Ткань-мишень	Действующий гормон	Действие, опосредованное цАМФ
Гипофиз	ТРГ, ЛГ- РГ	Синтез и выброс ТТГ, пролактина, ФСГ и ЛГ
Щитовидная железа	ТТГ	Синтез гормонов щитовидной железы (экзоцитоз, пиноцитоз, перемещение лизосом, протеолиз тиреоглобулина в фаголизосомах, экскреция Т3 и Т4)
-Клетки поджелудочной железы	Глюкагон	Выброс инсулина
Надпочечники	АКТГ	Синтез глюкокортикоидов
Яичники	ЛГ, ФСГ Катехоламины Простагландин Е	Синтез овариальных стероидов
Яички Клетки Лейдига Клетки Сертоли	ЛГ ФСГ	Синтез тестикулярных стероидов Синтез андрогенсвязывающего белка
Печень	Глюкагон Катехоламины	Гликогенолиз глюконеогенез
Почки Дистальные канальцы  Проксимальные канальцы	Антидиуретический гормон Паратгормон	Проницаемость воды  Реабсорбция кальция, магния, выделение фосфора
Жировая ткань	Катехоламины Глюкагон АКТГ Секретин	Липолиз
Мускулатура матки	Окситоцин Вазопрессин Серотонин (3-адренергические амины, простагландины Е и F	Сократимость мускулатуры матки
Скелетные мышцы	Катехоламины	Гликогенолиз
Мышца сердца	Катехоламины Глюкагон	Гликогенолиз увеличение сократимости
Кости	Паратгормон	Экскреция кальция н фосфата

Независимо от изменения числа мембранных рецепторов при избытке гормона ткани-мишени могут стать нечувствительными (пострецепторное-уменьшение чувствительности ткани). Это описано для АКТГ, ТТГ, ЛГ и инсулина. В качестве примера можно привести ЛГ и его рецепторы в гонадах, когда при наличии рецепторов ЛГ система аденилатциклаза — цАМФ не реагирует на гормон. Блокирование образования цАМФ избытком гормона является, очевидно, вторым защитным механизмом, гарантирующим надежность биологических систем.

Другие гормоны, такие как -адренергические катехоламины и их агонисты, ангиотензин, человеческий плацентарный лактоген, эпидермальный фактор роста, фактор роста фибробластов, соматотропин, инсулин, инсулиноподобный фактор роста, стимулятор активности деления, окситоцин, пролактин, Простагландин F_2a, соматомедин и соматостатин, не стимулируют аденилатциклазу после связывания с рецептором. Ацетилхолин, окситоцин, -адренергические Катехоламины (но не пролактин и инсулин) стимулируют образование внутри клетки циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ) — нуклеотида, сходного по строению с цАМФ. Подобно цАМФ в некоторых клетках цГМФ стимулирует фосфорилирование белков, но в других клетках этот посредник является антагонистом цАМФ. Последним объясняются те случаи, когда гормон может действовать одновременно и как антагонист на одну и ту же клетку-мишень. Для инсулина и пролактина известен не совсем обычный механизм, когда на втором этапе гормонального воздействия видимо принимает участие специфический белок.

Как уже упоминалось, особое значение для рецепторного связывания имеет концентрация Са²⁺ в клетке. Рецептор действует как ионофор. Связывание гормона приводит к конформационным изменениям белков клеточной мембраны и как следствие к образованию (открытию) каналов для ионов, которые однако остаются открытыми короткое время. Поступивший в клетку Са²⁺связывается со специфическим белком (кальмодулином), который считается особым внутриклеточным регулятором. Повышение концентрации Са²⁺ в клетке приводит к активации гуанилциклазы и, соответственно, к образованию цГМФ. Кроме того, ионы Са²⁺могут влиять на фосфорилирование белков через кальцийзависимые протеинкиназы.

Связывание гормона может выглядеть как простая обратимая реакция R+H > RH, KD = [R][H] / [RH], где [R] и [H] . концентрации свободного рецептора и гормона (лиганда), соответственно, и [RH] - концентрация комплекса рецептор-гормон. KD, константа диссоциации комплекса рецептор- лиганд, характеризует сродство рецептора к лиганду. Уравнение связывания можно дополнить: [RH] / RT = 1 / (1 + KD / [H]) где RT . сумма свободных и связанных рецепторов: [R] + [RH]. Уравнение подобно уравнению Михаэлиса-Ментен, используемому для анализа ферментативных реакций. Более низкому значению KD соответствует более высокое сродство рецептора к его лиганду. Значение KD эквивалентно концентрации лиганда, при которой половина рецепторов связана с лигандом. Как правило, число рецепторов в суспензии клеток или их фрагментов определяют по связыванию с содержащим радиоактивную метку гормоном. Для многих рецепторов, взаимодействующих с гормонами, концентрация лиганда, необходимого для генерации максимального клеточного ответа, меньше значения, необходимого для насыщения всех рецепторных молекул клетки

17