Биороль гормонов. Гормоны регулируют многие жизненные процессы – метаболизма, функции клеток и органов, матричные синтезы (транскрипцию, трансляцию) и другие процессы, определяемые геномом (пролиферацию, рост, дифференцировку, адаптацию, клеточный шок, апоптоз и

Рецепторы гормонов Биологическое действие гормонов проявляется через их взаимодействие с рецепторами клеток-мишеней. Клетки, наиболее чувствительные к влиянию определенного гормона, называют клеткой-мишенью. Специфичность гормонов по отношению к клеткам-мишеням

Глава 13. Особенности действия гормонов Гормоны гипоталамуса ЦНС оказывает регулирующее действие на эндокринную систему через гипоталамус. В клетках нейронов гипоталамуса синтезируются пептидные гормоны двух типов. Одни через систему гипоталамо-гипофизарных сосудов

Глава 14. Биохимия питания Наука о пище и питании называется нутрициологией (от греч. нутрицио - питание). Нутрициология или наука о питании – это наука о пище, пищевых веществах и других компонентах, содержащихся в продуктах питания, их взаимодействии, роли в поддержании

Глава 22. Метаболизм холестерола. Биохимия атеросклероза Холестерол – стероид, характерный только для животных организмов. Основное место его образования в организме человека – печень, где синтезируется 50% холестерола, в тонком кишечнике его образуется 15–20%, остальное

Биохимия атеросклероза Атеросклероз – это патология, характеризующаяся появлением атерогенных бляшек на внутренней поверхности сосудистой стенки. Одна из основных причин развития такой патологии – нарушение баланса между поступлением холестерола с пищей, его

Глава 28. Биохимия печени Печень занимает центральное место в обмене веществ и выполняет многообразные функции:1. Гомеостатическая - регулирует содержание в крови веществ, поступающих в организм с пищей, что обеспечивает постоянство внутренней среды организма.2.

Глава 30. Биохимия крови Кровь – жидкая подвижная ткань, перемещающаяся по сосудам. Выполняет роль транспортного и коммуникативного средства, интегрирующего обмен веществ в различных органах и тканях в единую систему. Общая характеристика Общий объем крови у взрослого

Глава 31. Биохимия почек Почка – парный орган, основной структурной единицей которого является нефрон. Благодаря хорошему кровоснабжению почки находятся в постоянном взаимодействии с другими тканями и органами и способны влиять на состояние внутренней среды всего

Глава 33. Биохимия мышечной ткани Подвижность является характерным свойством всех форм жизни - расхождение хромосом в митотическом аппарате клеток, воздушно-винтовые движения жгутиков бактерий, крыльев птиц, точные движения человеческой руки, мощная работа мышц ног. Все

Биохимия мышечного утомления Утомление – состояние организма, возникающее вследствие длительной мышечной нагрузки и характеризующееся временным снижением работоспособности.Центральная роль в развитии утомления принадлежит нервной системе. В состоянии утомления в

Глава 34. Биохимия соединительной ткани Соединительная ткань составляет около половины от сухой массы тела. Все разновидности соединительной ткани, несмотря на их морфологические различия, построены по общим принципам:1. Содержит мало клеток в сравнении с другими

Предлагаемый материал по теме "Биохимия гормонов" отражает вопросы типовой учебной программы для студентов лечебного, педиатрического и медико-психологического факультетов. Данное издание содержит информацию о механизмах действия гормонов, их биологических эффектах, биохимических нарушениях при недостатке или избытке гормонов в организме. Пособие позволит студентам медицинского университета более эффективно готовиться к текущим занятиям и к экзаменационной сессии.

Пособие для студентов педиатрического, медико-психологического, медико-диагностического факультетов и факультета иностранных учащихся – 6-е изд.

Список использованных сокращений 1

Введение 1

Гормоны 1

Гормоны щитовидной железы 2

Гормоны паращитовидных желёз 3

Гормоны поджелудочной железы 4

Гормоны мозгового вещества надпочечников 4

Гормоны коры надпочечников 5

Гормоны половых желёз 5

Центральная регуляция эндокринной системы 6

Использование гормонов в медицине 7

Простагландины и другие эйкозаноиды 7

Алла Анатольевна Масловская
Биохимия гормонов

Список использованных сокращений

АДФ – аденозиндифосфат

АКТГ – адренокортикотропный гормон

АМФ – аденозинмонофосфат

АТФ – аденозинтрифосфат

ВНД – высшая нервная деятельность

ВМК – ванилилминдальная кислота

ГДФ – гуанозиндифосфат

ГМФ – гуанозинмонофосфат

ГТФ – гуанозинтрифосфат

ГТГ – гонадотропные гормоны

ДАГ – диацилглицерол

ИФ3 – инозитолтрифосфат

17-КС – 17-кетостероиды

ЛГ – лютеинизирующий гормон

ЛПВП – липопротеины высокой плотности

ЛПОНП – липопротеины очень низкой плотности

ЛТГ – лактотропный гормон

МСГ – меланоцитостимулирующий гормон

СТГ – соматотропный гормон

ТТГ – тиреотропный гормон

Т3 – трииодтиронин

Т4 – тетраиодтиронин (тироксин)

Фн – фосфат неорганический

ФСГ – фолликулостимулирующий гормон

цАМФ – циклический аденозинмонофосфат

цГМФ – циклический гуанозинмонофосфат

ЦНС – центральная нервная система

Введение

Имеющаяся в учебниках обширная информация по теме "Биохимия гормонов" не позволяет студентам, впервые изучающим этот раздел, правильно сориентироваться в выборе главных моментов для понимания биологических эффектов и молекулярных механизмов действия гормонов на организм. Целью настоящего издания является предоставление студентам информации о биохимии гормонов в более четкой и ясной форме, что будет способствовать овладению учебной дисциплиной.

Материал пособия содержит описание общих закономерностей действия гормонов на клетку, а также обоснование и объяснение молекулярных механизмов влияния гормонов на организм в норме и при патологических состояниях.

Предлагаемый учебный материал поможет студентам глубже понять значимость регуляторных механизмов для согласованной работы органов и систем, а также научиться разбираться в сущности биохимических процессов, лежащих в основе метаболических нарушений при патологии эндокринной системы.

Гормоны

Из всех биологически активных соединений и субстратов, принимающих участие в регуляции биохимических процессов и функций, особая роль принадлежит гормонам.

Слово "гормон" происходит из греческого языка и означает "возбуждать", "приводить в движение".

Гормоны – это органические вещества, которые образуются в тканях одного типа (эндокринные железы, или железы внутренней секреции), поступают в кровь, переносятся по кровяному руслу в ткани другого типа (ткани-мишени), где оказывают своё биологическое действие (т. е. регулируют обмен веществ, поведение и физиологические функции организма, а также рост, деление и дифференцировку клеток).

Классификация гормонов

По химической природе гормоны делятся на следующие группы:

1. пептидные – гормоны гипоталамуса, гипофиза, инсулин, глюкагон, гормоны паращитовидных желез;

2. производные аминокислот – адреналин, тироксин;

3. стероидные – глюкокортикоиды, минералокортикоиды, мужские и женские половые гормоны;

4. эйкозаноиды – гормоноподобные вещества, которые оказывают местное действие; они являются производными арахидоновой кислоты (полиненасыщенная жирная кислота).

По месту образования гормоны делятся на гормоны гипоталамуса, гипофиза, щитовидной железы, паращитовидных желёз, надпочечников (коркового и мозгового вещества), женские половые гормоны, мужские половые гормоны, местные или тканевые гормоны.

По действию на биохимические процессы и функции гормоны делятся на:

1. гормоны, регулирующие обмен веществ (инсулин, глюкагон, адреналин, кортизол);

2. гормоны, регулирующие обмен кальция и фосфора (паратиреоидный гормон, кальцитонин, кальцитриол);

3. гормоны, регулирующие водно-солевой обмен (альдостерон, вазопрессин);

4. гормоны, регулирующие репродуктивную функцию (женские и мужские половые гормоны);

5. гормоны, регулирующие функции эндокринных желёз (адренокортикотропный гормон, тиреотропный гормон, лютеинизирующий гормон, фолликулостимулирующий гормон, соматотропный гормон);

6. гормоны стресса (адреналин, глюкокортикоиды и др.);

7. гормоны, влияющие на ВНД (память, внимание, мышление, поведение, настроение): глюкокортикоиды, паратиреоидный гормон, тироксин, адренокортикотропный гормон)

Свойства гормонов

Высокая биологическая активность . Концентрация гормонов в крови очень мала, но их действие сильно выражено, поэтому даже небольшое увеличение или уменьшение уровня гормона в крови вызывает различные, часто значительные, отклонения в обмене веществ и функционировании органов и может привести к патологии.

Короткое время жизни , обычно от нескольких минут до получаса, после чего гормон инактивируется или разрушается. Но с разрушением гормона его действие не прекращается, а может продолжаться в течение часов и даже суток.

Дистантность действия. Гормоны вырабатываются в одних органах (эндокринных железах), а действуют в других (тканях- мишенях).

Высокая специфичность действия . Гормон оказывает своё действие только после связывания с рецептором. Рецептор – это сложный белок-гликопротеин, состоящий из белковой и углеводной частей. Гормон связывается именно с углеводной частью рецептора. Причём строение углеводной части имеет уникальную химическую структуру и соответствует пространственному строению гормона. Поэтому гормон безошибочно, точно, специфично связывается только со своим рецептором, несмотря на малую концентрацию гормона в крови.

Не все ткани одинаково реагируют на действие гормона. Высокой чувствительностью к гормону обладают те ткани, в которых имеются рецепторы к данному гормону. В таких тканях гормон вызывает наиболее выраженные сдвиги в обмене веществ и функциях. Если рецепторы к гормону есть во многих, или почти во всех тканях, то такой гормон оказывает общее действие (тироксин, глюкокортикоиды, соматотропный гормон, инсулин). Если рецепторы к гормону присутствуют в весьма ограниченном числе тканей, то такой гормон обладает избирательным действием. Ткани, в которых имеются рецепторы к данному гормону, называются ткани-мишени. В тканях-мишенях гормоны могут воздействовать на генетический аппарат, мембраны, ферменты.

Типы биологического действия гормонов

1. Метаболическое – действие гормона на организм проявляется регуляцией обмена веществ (например, инсулин, глюкокортикоиды, глюкагон).

2. Морфогенетическое – гормон действует на рост, деление и дифференцировку клеток в онтогенезе (например, соматотропный гормон, половые гормоны, тироксин).

3. Кинетическое или пусковое – гормоны способны запускать функции (например, пролактин – лактацию, половые гормоны – функцию половых желёз).

4. Корригирующее . Гормонам принадлежит важнейшая роль в адаптации человека к различным факторам внешней среды. Гормоны изменяют обмен веществ, поведение и функции органов так, чтобы приспособить организм к изменившимся условиям существования, т.е. осуществляют метаболическую, поведенческую и функциональную адаптацию, тем самым поддерживают постоянство внутренней среды организма.

Глава VI . БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА

§ 17. ГОРМОНЫ

Общие представления о гормонах

Слово гормон происходит от греч. гормао - возбуждать.

Гормоны – это органические вещества, выделяемые железами внутренней секреции в небольших количествах, транспортируемые кровью к клеткам-мишеням других органов, где они проявляют специфическую биохимическую или физиологическую реакцию. Некоторые гормоны синтезируются не только в эндокринных железах, но и клетками других тканей.

Для гормонов характерны следующие свойства:

a) гормоны секретируются живыми клетками;

b) секреция гормонов осуществляется без нарушения целостности клетки, они поступают непосредственно в кровяное русло;

c) образуются в очень малых количествах, их концентрация в крови составляет 10 -6 – 10 -12 моль/л, при стимуляции секреции кокого-либо гормона его концентрация может возрасти на несколько порядков;

d) гормоны обладают высокой биологической активностью;

e) каждый гормон действует на определенные клетки-мишени;

f) гормоны связываются со специфическими рецепторами, образуя гормон-рецепторный комплекс, который определяет биологический ответ;

g) гормоны имеют небольшой период полужизни, обычно несколько минут и не более одного часа.

Гормоны по химическому строению делятся на три группы: белковые и пептидные гормоны, стероидные гормоны и гормоны, являющиеся производными аминокислот.

Пептидные гормоны представлены пептидами с небольшим числом аминокислотных остатков. Белки-гормоны содержат до 200 аминокислотных остатков. К их числу относятся гормоны поджелудочной железы инсулин и глюкагон, гормон роста и др. Большинство белковых гормонов синтезируются в виде предшественников – прогормонов , не обладающих биологической активностью. В частности, инсулин синтезируется в виде неактивного предшественника препроинсулина , который в результате отщепления 23 аминокислотных остатков со стороны N-конца превращается в проинсулин и при удалении еще 34 аминокислотных остатков – в инсулин (рис. 58).

Рис. 58. Образование инсулина из предшественника.

К производным аминокислот относятся гормоны адреналин, норадреналин, тироксин, трииодтиронин. К стероидным принадлежат гормоны коры надпочечников и половые гормоны (рис. 3).

Регуляция секреции гормонов

Верхнюю ступень в регуляции секреции гормонов занимает гипоталамус – специализированная область мозга (рис. 59). Этот орган получает сигналы из центральной нервной системы. В ответ на эти сигналы гипоталамус выделяет ряд регуляторных гипоталамических гормонов. Их называют рилизинг-факторы . Это пептидные гормоны, состоящие из 3 – 15 аминокислотных остатков. Рилизинг-факторы поступают в переднюю долю гипофиза – аденогипофиз, расположенный непосредственно под гипоталамусом. Каждый гипоталамический гормон регулирует секрецию какого-либо одного гормона аденогипофиза. Одни рилизинг-факторы стимулируют секрецию гормонов, их называют либеринами , другие, наоборот, тормозят, это – статины . В случае стимуляции гипофизом в кровь выделяются так называемые тропные гормоны , стимулирующие деятельность других желез внутренней секреции. Те в свою очередь начинают выделять собственные специфические гормоны, которые воздействуют на соответствующие клетки-мишени. Последние в соответствии с полученным сигналом вносят коррективы в свою деятельность. Надо отметить, что циркулирующие в крови гормоны в свою очередь тормозят деятельность гипоталамуса, аденогипофиза и желез, в которых они образовались. Такой способ регуляции носит название регуляции по принципу обратной связи .

Рис. 59. Регуляция секреции гормонов

Интересно знать! Гипоталамические гормоны, по сравнению с другими гормонами, выделяются в наименьших количествах. Например, для получения 1 мг тиролиберина (стимулирующего деятельность щитовидной железы) потребовалось 4 т ткани гипоталамуса.

Механизм действия гормонов

Гормоны отличаются по своему быстродействию. Одни гормоны вызывают быстрый биохимический или физиологический ответ. Например, печень начинает выделять глюкозу в кровь после появления адреналина в кровяном русле уже через несколько секунд. Ответ же на действие стероидных гормонов своего максимума достигает через несколько часов и даже дней. Столь значительные различия в скорости ответа на введение гормона связаны с различным механизмом их действия. Действие стероидных гормонов направлено на регуляцию транскрипции. Стероидные гормоны легко проникают через клеточную мембрану в цитоплазму клетки. Там они связываются со специфическим рецептором, образуя гормон-рецепторный комплекс. Последний, попадая в ядро, взаимодействует с ДНК и активирует синтез иРНК, которая далее транспортируется в цитоплазму и инициирует синтез белка (рис. 60.). Синтезированный белок определяет биологический ответ. Аналогичным механизмом действия обладает и гормон щитовидной железы тироксин.

Действие пептидных, белковых гормонов и адреналина направлено не на активацию синтеза белка, а на регуляцию активности ферментов или других белков. Эти гормоны взаимодействуют с рецепторами, находящимися на поверхности клеточной мембраны. Образовавшийся гормон-рецепторный комплекс запускает серию химических реакций. В результате происходит фосфорилирование некорых ферментов и белков, вследствие которого изменяется их активность. В итоге наблюдается биологический ответ (рис. 61).

Рис. 60. Механизм действия стероидных гормонов

Рис. 61. Механизм действия пептидных гормонов

Гормоны – производные аминокислот

Как отмечалось выше, к гормонам, являющимся производными аминокислот, относятся гормоны мозгового слоя надпочечников (адреналин и норадреналин) и гормоны щитовидной железы (тироксин и трииодтиронин) (рис. 62). Все эти гормоны являются производными тирозина.

Рис. 62. Гормоны – производные аминокислот

Органами–мишенями адреналина являются печень, скелетные мышцы, сердце и сердечно-сосудистая система. Близок по структуре к адреналину и другой гормон мозгового слоя надпочечников – норадреналин. Адреналин ускоряет ритм сердца, повышает кровяное давление, стимулирует расщепление гликогена печени и увеличивает содержание глюкозы в крови, обеспечивая, таким образом, мышцы топливом. Действие адреналина направлено на то, чтобы подготовить организм к экстремальным условиям. В состоянии тревоги концентрация адреналина в крови может увеличиться почти в 1000 раз.

Щитовидная железа, как отмечали выше, секретирует два гормона – тироксин и трииодтиронин, их соответственно обозначают Т 4 и Т 3 . Главным результатом действия этих гормонов является увеличение скорости основного обмена.

При повышенной секреции Т 4 и Т 3 развивается так называемая Базедова болезнь . В таком состоянии скорость обмена веществ увеличена, пища сгорает быстро. Больные выделяют больше тепла, им свойственна повышенная возбудимость, у них наблюдаются тахикардия, потеря массы тела. Дефицит гормонов щитовидной железы у детей приводит к задержке роста и умственного развития – кретинизму . Недостаточность иода в пище, а иод входит в состав этих гормонов (рис. 62), вызывает увеличение щитовидной железы, развитие эндемического зоба . Добавление иода в пищу приводит к уменьшению зоба. С этой целью в Беларуси в состав пищевой соли вводят иодид калия.

Интересно знать! Если поместить головастиков в воду, не содержащую иод, то их метаморфоз задерживается, они достигают гигантских размеров. Добавление иода в воду приводит к метаморфозу, начинается редукция хвоста, появляются конечности, они превращаются в нормальную взрослую особь.

Пептидные и белковые гормоны

Это наиболее разнообразная группа гормонов. К ним относятся рилизинг-факторы гипоталамуса, тропные гормоны аденогипофиза, гормоны эндокринной ткани поджелудочной железы инсулин и глюкагон, гормон роста и многие другие.

Главной функцией инсулина является поддержание определенного уровня глюкозы в крови. Инсулин способствует поступлению глюкозы в клетки печени и мышц, где она в основном превращается в гликоген. При недостатке выработки инсулина или полном его отсутствии развивается заболевание сахарный диабет . При этом заболевании ткани больного не могут поглощать глюкозу в достаточных количествах, несмотря на ее повышенное содержание в крови. У больных происходит выведение глюкозы с мочой. Это явление получило название «голод среди изобилия».

Глюкагон оказывает противоположное инсулину действие, он повышает содержание глюкозы в крови, способствует распаду гликогена в печени с образованием глюкозы, поступающей затем в кровь. В этом его действие сходно с действием адреналина.

Секретируемый аденогипофизом гормон роста, или соматотропин, ответствен за рост скелета и увеличение массы тела человека и животных. Недостаточность этого гормона приводит к карликовости , избыточная же его секреция выражается в гигантизме, или акромегалии , при которой происходит усиленный рост кистей рук, ступней ног, лицевых костей.

Стероидные гормоны

Как отмечено выше, к стероидным гормонам принадлежат гормоны коры надпочечников и половые гормоны (рис. 3).

В коре надпочечников синтезируются свыше 30 гормонов, их называют также кортикоидами. Кортикоиды делят на три группы. Первая группа – это глюкокортикоиды , они регулируют углеводный обмен, оказывают противовоспалительное и антиаллергическое действие. Вторую группу составляют минералокортикоиды , они поддерживают, главным образом, водно-солевой баланс в организме. К третьей группе относятся кортикоиды, занимающие промежуточное положение между глюкокортикоидами и минералокортикоидами.

Среди половых гормонов различают андрогены (мужские половые гормоны) и эстрогены (женские половые гормоны). Андрогены стимулируют рост и созревание, поддерживают функционирование репродуктивной системы и формирование вторичных половых признаков. Эстрогены регулируют активность женской репродуктивной системы.

Организм человека существует как единое целое благодаря системе внутренних связей, которая обеспечивает передачу информации от одной клетки к другой в одной и той же ткани или между разными тканями. Без этой системы невозможно поддерживать гомеостаз. В передаче информации между клетками в многоклеточных живых организмах, принимают участие три системы: ЦЕНТРАЛЬНАЯ НЕРВНАЯ СИСТЕМА (ЦНС), ЭНДОКРИННАЯ СИСТЕМА (ЖЕЛЕЗЫ ВНУТРЕННЕЙ СЕКРЕЦИИ) и ИММУННАЯ СИСТЕМА.

Способы передачи информации во всех названных системах - химические. Посредниками при передаче информации могут быть СИГНАЛЬНЫЕ молекулы.

К таким сигнальным молекулам относятся четыре группы веществ: ЭНДОГЕННЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА (медиаторы иммунного ответа, факторы роста и др.), НЕЙРОМЕДИАТОРЫ, АНТИТЕЛА (иммуноглобулины) и ГОРМОНЫ.

Б И О Х И М И Я Г О Р М О Н О В

ГОРМОНЫ - это биологически активные вещества, которые синтезируются в малых количествах в специализированнных клетках эндокринной системы и через циркулирующие жидкости (например, кровь) доставляются к клеткам-мишеням, где оказывают свое регулирующее действие.

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

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ГОРМОНОВ.

1) выделяются из вырабатывающих их клеток во внеклеточное пространство;

2) не являются структурными компонентами клеток и не используются как источник энергии.

3) способны специфически взаимодействовать с клетками, имеющими рецепторы для данного гормона.

4) обладают очень высокой биологической активностью - эффективно действуют на клетки в очень низких концентрациях (около 10 -6 - 10 -11 моль/л).

МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ГОРМОНОВ.

Гормоны оказывают влияние на клетки-мишени.

КЛЕТКИ-МИШЕНИ - это клетки, которые специфически взаимодействуют с гормонами с помощью специальных белков-рецепторов. Эти белки-рецепторы располагаются на наружной мембране клетки, или в цитоплазме, или на ядерной мембране и на других органеллах клетки.

БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА ОТ ГОРМОНА В КЛЕТКУ-МИШЕНЬ.

Любой белок-рецептор состоит, минимум из двух доменов (участков), которые обеспечивают выполнение двух функций:

- "узнавание" гормона;

Преобразование и передачу полученного сигнала в клетку.

Каким образом белок-рецептор узнает ту молекулу гормона, с которой он может взаимодействовать?

Один из доменов белка-рецептора имеет в своем составе участок, комплементарный какой-то части сигнальной молекулы. Процесс связывания рецептора с сигнальной молекулой похож на процесс образования фермент-субстратного комплекса и может определяется величиной константы сродства.

Большинство рецепторов изучены недостаточно, потому что их выделение и очистка очень сложные, а содержание каждого вида рецепторов в клетках очень низкое. Но известно, что гормоны взаимодействуют со своими рецепторами физико-химическим путем. Между молекулой гормона и рецептором формируются электростатические и гидрофобные взаимодействия. При связывании рецептора с гормоном происходят конформационные изменения белка-рецептора и комплекс сигнальной молекулы с белком-рецептором активируется. В активном состоянии он может вызывать специфические внутриклеточные реакции в ответ на принятый сигнал. Если нарушен синтез или способность белков-рецепторов связываться с сигнальными молекулами, возникают заболевания - эндокринные нарушения. Есть три типа таких заболеваний:

1. Связанные с недостаточностью синтеза белков-рецепторов.

2. Связанные с изменением структуры рецептора - генетических дефекты.

3. Связанные с блокированием белков-рецепторов антителами.

В последние десятилетия достигнуты большие успехи в расшифровке молекулярных механизмов действия гормонов. Этому в немалой степени способствовали такие важные события, как открытие вторичных внутриклеточных посредников (цикло-АМФ, цикло-ГМФ, фосфоинозитидов и ионов кальция), разработка радиоизотопных методов исследования гормональных рецепторов, а также открытие ГТФ-связывающих белков, обеспечивающих передачу сигналов вовнутрь клетки. Несмотря на большое количество гормонов, обладающих к тому же разнообразными функциями и имеющих различные структуры, механизмы их действия в значительной мере унифицированы. Можно выделить два основных механизма действия гормонов на клетки-мишени: мембрано-опосредованный, характерный для водорастворимых гормонов, нс проникающих в клетку, а также цитозольный, по которому функционируют липофильные, водонерастворимые гормоны, легко пересекающие плазматические мембраны.

Мембрано-опосредованный механизм. Основные циклы первого этапа передачи гормонального сигнала протекают в плазматической мембране. Они связаны с узнаванием и трансформацией гормонального сигнала и осуществляются при помощи сложной надмолекулярной системы в несколько этапов. М. Родбелл, формализуя проблему с точки зрения кибернетики, так обозначил эти этапы: дискриминатор (рецептор) узнает сигнал, далее происходит преобразование его при помощи соответствующего преобразователя и, наконец, усилитель усиливает его на несколько порядков уже внутри клетки. Ниже приведена схема передачи информационного сигнала (по Rodbell).

Рецептор (дискриминатор ). Он селекционирует и узнает соответствующий гормон и создает условия для каскадного усиления гормонального сигнала. Рецептор представляет собой гликопротеин, причем гликозидная часть его принимает непосредственное участие в связывании гормона.

Фермент аденшатцшиаза (усилитель ). Это компонент рецепторной системы, который воспринимает и многократно усиливает гормональный сигнал. Это гликопротеин с молекулярной массой около 150 kDa, локализованный в цитоплазматической мембране. Аденилатциклаза имеет две активные SH-группы и несколько аллостерических центров.

Регулятор (преобразователь ). Он представляет собой белки, связанные и с рецептором, и с аденилатциклазой. Фактически это два белка, имеющие сродство к ГТФ, поэтому их называют G-белки. Один из этих белков является активатором (стимулятором) аденилатциклазы (G st), другой - ингибитором (G ing). Каждый G-бслок состоит из трех полипептидных цепей (а, р и у). В состоянии «покоя» тример G-белка ассоциирован с ГДФ. Молекулярные механизмы, связанные с трансляцией и усилением сигнала, заключаются в следующем. Гормон, взаимодействуя с рецептором, изменяет его конформацию, при этом происходит диссоциация комплекса С 51 -белок-ГДФ. Кроме того, сам G-белок диссоциирует на Р,у-димер и а-субъсдиницу, к которой присоединяется ГТФ. Этот комплекс взаимодействуете сульфгидрильной группой аденилатциклазы и активирует данный фермент. Активная аденилатциклаза катализирует процесс синтеза цАМФ из АТФ. Ингибиторное действие Gj -белка

обусловлено тем, что его 3,5-димер препятствует взаимодействию ГТФ с а-субъединицей G^-белка (рис. 11.1).

Активация аденилатциклазы сопровождается распадом ГТФ, при этом происходит ассоциация полипептидных цепей G-белка в тримср в комплексе с ГДФ. В процессе активации аденилатциклазы участвуют Mg 2+ , Са 2+ и Мп 2+ , способствующие регуляции активности фермента.

Циклические аденинмононуклеотиды в цитоплазме взаимодействуют с ферментом протеинкиназой А или С, которая в отсутствие цАМФ находится в неактивном состоянии. Протеинкиназа представляет собой тетрамер, состоящий из двух каталитических (С 2) и двух регуляторных (R 2) субъединиц, который под действием цАМФ диссоциирует на два димера (рис. 11.2).

После диссоциации протеинкиназы ее каталитические субъединицы осуществляют процесс фосфорилирования белков. Присоединение фосфатной группировки происходит по ОН-группам аминокислотных остатков тирозина, треонина или серина, при этом структура и биологическая активность фосфо- рилированного белка может существенно изменяться. В качестве примера можно привести активацию фосфорилазы Ь , которая под действием киназы фосфорилазы b фосфорилируется и превращается в активную фосфорилазу а>

Рис. 11.1.

АЦ - аленилатииклаза: G y - белок, стимулирующий активацию аленилатииклазы: G II4 - белок, ингибирующий действие аденилатциклазы

Рис. 11.2.

Рис. 11.3.

катализирующую процесс отщепления от гликогена и фосфорилирования глюкозы (рис. 11.3).

Процесс дефосфорилирования белков происходит под действием ферментов группы фосфопрогеинфосфатаз. Фосфорилирование белков пАМФ-зави- симыми протеинкиназами не ограничивается цитоплазмой. С-Каталитические субъединицы протеинкиназ способны пересекать ядерные мембраны и, фосфорилируя ядерные белки - гистоны, регулировать генную активность клеток.

Избыточное количество цАМФ разрушается под действием фосфодиэсте- разы. Имеются две формы этого фермента: растворимая, активируемая ионами Са 2+ , и мембраносвязанная, каталитическое действие которой не связано с Са 2+ . Для активации растворимой фосфод и эстеразы кроме ионов кальция необходим специальный кальций-связывающий белок - кальмодулин. Комплекс Са 2+ -кальмодулин присоединяется к фосфодиэстеразе и активирует ее:

Гуанилатциклазная система , подобно вышеописанной, основана на активации гуанидатциклазы и образовании цГМФ. Обнаружены две изоформы гу- анилатциклазы - растворимая и мембранно-связанная. Последняя в результате гормонального сигнала или действия специфичных пептидов активируется и катализирует синтез цГМФ по схеме:

Имеется семейство цГМФ-зависимых протеинкиназ (протеинкиназы G), которые осуществляют фосфорилирование белков, подобно протеин киназам А или С. Однако цАМФ- и цГМФ-зависимое фосфорилирование белков строго специфично, обусловлено различными ферментными системами и реализует различные биологические эффекты.

Са-внутримешочный посредник гормонов. Поступление Са 2+ в цитоплазму клетки регулируется гормонами, селективно изменяющими проницаемость мембран, Са 2+ /Н + -АТФ-зависимым насосом, а также освобождением Са 2+ , депонированного в митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме. Белок кальмодулин присоединяет четыре иона Са 2+ , что приводит к резкому изменению его конформации в основном за счет увеличения степени а-спирализа- ции. В результате кальмодулин-зависимые ферменты могут активироваться (инактивироваться) и изменять скорость зависимых биохимических процессов в клетке (рис. 11.4).

Из множества ферментов, регулируемых Са 2+ , следует отметить протеин- киназы С, фосфорилирующие растворимые белки цитозоля, фосфод и эстеразы и аденилатциклазы, которые, в свою очередь, являются регуляторами процессов фосфорилирования белков. Связь Са 2+ с гормонами очевидна, так как при его дефиците действие гормонов прекращается. В приведенном выше примере фосфорилирования фосфорилазы b и перевода ее в активную форму существенную роль играет Са 2+ -кальмодулин.

Цитозольный механизм. Он характерен для липофильных гормонов, легко проникающих в клетку. К ним относятся стероидные гормоны и некоторые гормоны, производные ароматических аминокислот. Рецепторы этих гормонов локализованы в цитоплазме или в ядре и представляют собой первый молекулярный элемент, воспринимающий внеклеточный информационный сигнал посредством специфического связывания и включающий цепь последующих событий.

Внутриклеточные рецепторы относятся к сложным глобулярным белкам - гликопротеинам с молекулярной массой от 60 до 250 kDa. Они имеют трехдоменную структуру (рис. 11.5).

Неактивированные рецепторы или апорецепторы в своем составе содержат белки теплового шока: hsp 90, hsp 70 и hsp 56, которые также присосдиня-

Рис. 11.4. Образование активного комплекса фермент - кальмодулин-Са 2+

Рис. 11.5.

/ - /V-концевой домен, связывающий рецептор с определенными участками ДНК; 2 - центральный ДНК-связываю шин домен; 3 - С-конисвой гормон - связывающий домен

ются к С-концевому домену и в отсутствие лиганда поддерживают рецептор в неактивном состоянии. Белок теплового шока hsp 90 увеличивает аффинность связывания рецептора с гормоном, подавляя вместе с тем его сродство к компонентам ядра клетки. Присоединение к рецептору комплементарного гормона приводит к диссоциации белков теплового шока, после чего гормон-рецеп- торный комплекс фосфорилируется и приобретает аффинность к ядрам, т. е. активируется (табл. 11.1).

Механизм передачи и трансформации гормонального сигнала осуществляется в несколько этапов (рис. 11.6).

Транспорт гормона в клетку. Широко распространенное ранее мнение о том, что липофильные гормоны проходят через бислойные мембраны клеток посредством простой диффузии, подвергается сомнению из-за наличия гидрофильного слоя гликопротеинов на клеточной поверхности. Более вероятным

Рис. 11.6.

Рис. 11.7.

представляется наличие специальных переносчиков гормонов, переносящих их вовнутрь клетки методом облегченной диффузии.

• Образование гормон-рецепторного комплекса. Гормон присоединяется к своему рецептору, при этом происходит фосфорилирование рецептора и отделение от него белков теплового шока.
• Транслокация комплекса в ядро. Активированный гормон-рсцспторный комплекс связывается с ядерными мембранами и перемещается в ядро клетки.
• Взаимодействие гормон-рецепторного комплекса с ядерными структурами. После перемещения в ядро активный гормон-рецепторный комплекс взаимодействует с регуляторными последовательностями структурных генов ДНК в области промотора, что приводит к увеличению транскрипционной активности (рис. 11.7).
• Отделение гормон-рецепторного комплекса от хроматина. После освобождения гормон-рецепторного комплекса и его дефосфорилирования ядерными фосфопротсинфосфатазами происходит диссоциация комплекса на гормон и рецептор, последний перемещается в цитоплазму, ассоциируется с белками теплового шока и включается в следующий цикл передачи гормонального сигнала. Этот процесс называется рециклизацией гормонального рецептора. В некоторых случаях рециклизация не происходит, так как рецептор после поступления из ядра в цитоплазму подвергается протеолитическому расщеплению.