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.

Связанные с недостаточностью синтеза белков-рецепторов.

Связанные с изменением структуры рецептора — генетических дефекты.

Связанные с блокированием белков-рецепторов антителами.

Механизмы действия гормонов на клетки-мишени.

В зависимости от строения гормона существуют два типа взаимодействия. Если молекула гормона липофильна, (например, стероидные гормоны), то она может проникать через липидный слой наружной мембраны клеток-мишеней. Если молекула имеет большие размеры или является полярной, то ее проникновение внутрь клетки невозможно. Поэтому для липофильных гормонов рецепторы находятся внутри клеток-мишеней, а для гидрофильных — рецепторы находятся в наружной мембране.

Для получения клеточного ответа на гормональный сигнал в случае гидрофильных молекул действует внутриклеточный механизм передачи сигнала. Это происходит с участием веществ, которых называют вторыми посредниками. Молекулы гормонов очень разнообразны по форме, а "вторые посредники" — нет.

Надежность передачи сигнала обеспечивает очень высокое сродство гормона к своему белку-рецептору.

Что такое посредники, которые участвуют во внутриклеточной передаче гуморальных сигналов?

Это циклические нуклеотиды (цАМФ и цГМФ), инозитолтрифосфат, кальций-связывающий белок — кальмодулин, ионы кальция, ферменты, участвующие в синтезе циклических нуклеотидов, а также протеинкиназы — ферменты фосфорилирования белков. Все эти вещества участвуют в регуляции активности отдельных ферментных систем в клетках-мишенях.

Разберем более подробно механизмы действия гормонов и внутриклеточных посредников.

Существует два главных способа передачи сигнала в клетки-мишени от сигнальных молекул с мембранным механизмом действия:

аденилатциклазная (или гуанилатциклазная) системы;

фосфоинозитидный механизм.

Аденилатциклазная система.

Основные компоненты: мембранный белок-рецептор, G-белок, фермент аденилатциклаза, гуанозинтрифосфат, протеинкиназы.

Кроме того, для нормального функционирования аденилатциклазной системы, требуется АТФ.

Белок-рецептор, G-белок, рядом с которым располагаются ГТФ и фермент (аденилатциклаза) встроены в мембрану клетки.

До момента действия гормона эти компоненты находятся в диссоциированнном состоянии, а после образования комплекса сигнальной молекулы с белком-рецептором происходят изменения конформации G-белка. В результате одна из субъединиц G-белка приобретает способность связываться с ГТФ.

Комплекс "G-белок-ГТФ" активирует аденилатциклазу. Аденилатциклаза начинает активно превращать молекулы АТФ в ц-АМФ.

ц-АМФ обладает способностью активировать особые ферменты — протеинкиназы, которые катализируют реакции фосфорилирования различных белков с участием АТФ. При этом в состав белковых молекул включаются остатки фосфорной кислоты. Главным результатом этого процесса фосфорилирования является изменение активности фосфорилированного белка. В различных типах клеток фосфорилированию в результате активации аденилат-циклазной системы подвергаются белки с разной функциональной активностью. Например, это могут быть ферменты, ядерные белки, мембранные белки. В результате реакции фосфорилирования белки могут становятся функционально активными или неактивными.

Такие процессы будут приводить к изменениям скорости биохимических процессов в клетке-мишени.

Активация аденилатциклазной систтемы длится очень короткое время, потому что G-белок после связывания с аденилатциклазой начинает проявлять ГТФ-азную активность. После гидролиза ГТФ G-белок восстанавливает свою конформацию и перестает активировать аденилатциклазу. В результате прекращается реакция образования цАМФ.

Кроме участников аденилатциклазной системы в некоторых клетках-мишенях имеются белки-рецепторы, связанные с G-белками, которые приводят к торможению аденилатциклазы. При этом комплекс "GTP-G-белок" ингибирует аденилатциклазу.

Когда останавливается образование цАМФ, реакции фосфорилирования в клетке прекращаются не сразу: пока продолжают существовать молекулы цАМФ — будет продолжаться и процесс активации протеинкиназ. Для того, чтобы прекратить действие цАМФ, в клетках существует специальный фермент — фосфодиэстераза, который катализирует реакцию гидролиза 3′,5′-цикло-АМФ до АМФ.

Некоторые вещества, обладающие ингибирующим действием на фосфодиэстеразу, (например, алкалоиды кофеин, теофиллин), способствуют сохранению и увеличению концентрации цикло-АМФ в клетке. Под действием этих веществ в организме продолжительность активации аденилатциклазной системы становится больше, т. е. усиливается действие гормона.

Кроме аденилатциклазной или гуанилатциклазной систем существует также механизм передачи информации внутри клетки-мишени с участием ионов кальция и инозитолтрифосфата.

Инозитолтрифосфат — это вещество, которое является производным сложного липида — инозитфосфатида. Оно образуется в результате действия специального фермента — фосфолипазы "С", который активируется в результате конформационных изменений внутриклеточного домена мембранного белка-рецептора.

Этот фермент гидролизует фосфоэфирную связь в молекуле фосфатидил-инозитол-4,5-бисфосфата и в результате образуются диацилглицерин и инозитолтрифосфат.

Известно, что образование диацилглицерина и инозитолтрифосфата приводит к увеличению концентрации ионизированного кальция внутри клетки. Это приводит к активации многих кальций-зависимых белков внутри клетки, в том числе активируются различные протеинкиназы. И здесь, как и при активации аденилатциклазной системы, одной из стадий передачи сигнала внутри клетки является фосфорилирование белков, которое в приводит к физиологическому ответу клетки на действие гормона.

В работе фосфоинозитидного механизма передачи сигналов в клетке-мишени принимает участие специальный кальций-связывающий белок — кальмодулин. Это низкомолекулярный белок (17 кДа), на 30 % состоящий из отрицательно заряженных аминокислот (Глу, Асп) и поэтому способный активно связывать Са+2. Одна молекула кальмодулина имеет 4 кальций-связывающих участка. После взаимодействия с Са+2 происходят конформационные изменения молекулы кальмодулина и комплекс "Са+2-кальмодулин" становится способным регулировать активность (аллостерически угнетать или активировать) многие ферменты — аденилатциклазу, фосфодиэстеразу, Са+2,Мg+2-АТФазу и различные протеинкиназы.

В разных клетках при воздействии комплекса "Са+2-кальмодулин" на изоферменты одного и того же фермента (например, на аденилатциклазу разного типа) в одних случаях наблюдается активация, а в других — ингибирование реакции образования цАМФ. Такие различные эффекты происходят потому, что аллостерические центры изоферментов могут включать в себя различные радикалы аминокислот и их реакция на действие комплекса Са+2-кальмодулин будет отличаться.

Таким образом, в роли "вторых посредников" для передачи сигналов от гормонов в клетках-мишенях могут быть:

циклические нуклеотиды (ц-АМФ и ц-ГМФ);

1. комплекс "Са-кальмодулин";

   диацилглицерин;

   инозитолтрифосфат.

Механизмы передачи информации от гормонов внутри клеток-мишеней с помощью перечисленных посредников имеют общие черты:

одним из этапов передачи сигнала является фосфорилирование белков;

прекращение активации происходит в результате специальных механизмов, инициируемых самими участниками процессов, — существуют механизмы отрицательной обратной связи.

Гормоны являются основными гуморальными регуляторами физиологических функций организма, и в настоящее время хорошо известны их свойства, процессы биосинтеза и механизмы действия.

Признаки, по которым гормоны отличаются от других сигнальных молекул следующие.

Синтез гормонов происходит в особых клетках эндокринной системы. При этом синтез гормонов является основной функцией эндокринных клеток.

Гормоны секретируются в кровь, чаще в венозную, иногда в лимфу. Другие сигнальные молекулы могут достигать клеток-мишеней без секреции в циркулирующие жидкости.

Телекринный эффект (или дистантное действие) — гормоны действуют на клетки-мишени на больщом расстоянии от места синтеза.

Гормоны являются высокоспецифичными веществами по отношению к клеткам-мишеням и обладают очень высокой биологической активностью.

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.

Конечными эффектами действия гормонов на клеточном уровне могут быть изменения метаболизма, проницаемости мембраны для различных ве ществ (ионов, глюкозы и др.), процессов роста, дифференцировки и деления клеток, сократительной или секреторной активности и др. Реализация этих эффектов начинается со связывания гормона со специфическими клеточны ми белками-рецепт орами: мембранными или внутриклеточными (цито плазматическими и ядерными). Эффект действия гормонов через мембранные рецепторы проявляется относительно быстро (в течение нескольких минут), а через внутриклеточные рецепторы - медленно (от получаса и более).

Действие через м ем бранны е рецепторы типично для белково-пептид ных гормонов и производных аминокислот. Эти гормоны (за исключением тироидных), являются гидрофильными и не могут проникать сквозь били пидный слой плазмалеммы. Поэтому, гормональный сигнал передается в клетку по относительно длинной цепи, которая в общем случае выглядит так: гормон -> мембранный рецептор -> мембранный фермент -> вторичный посредник -> протеинкиназа -> внутриклеточные функциональные белки -> физиологический эффект.

Соответственно действие гормона через мембранные рецепторы реа лизуется в несколько этапов:

1) взаимодействие гормона с мембранным рецептором приводит к изменению конформации рецептора и его активированию;

2) рецептор активирует (реже - ингибирует) связанный с ним мем бранный фермент;

3) фермент изменяет концентрацию в цитоплазме того или иного низкомолекулярного вещества - вторичного посредника",

4) вторичный посредник активирует определенную цитоплазматичес кую протеинкиназу - фермент, катализирующий фосфорилирование и из менение функциональных свойств белков;

5) протеинкиназа изменяет активность внутриклеточных функцио нальных белков, регулирующих внутриклеточные процессы (ферментов, ионных каналов, сократительных белков и т.п.), в результате чего реализу ется тот или иной конечный эффект действия гормона, например, ускоре ние синтеза или распада гликогена, запуск мышечного сокращения и др.

В настоящее время известны четыре типа ферментов, связанных с мембранными рецепторами гормонов, и пять основных вторичных посредников (рис. 1, табл. 1).

Рис. 1. Основные системы трансмембранной передачи гормонального сигнала.

Обозначения: Г - гормоны; R - мембранные рецепторы; G - G-белки; Ж - тирозин-

киназа; Г Ц - гуанилатциклаза; А Ц ~ аденилатциклаза; Ф.П С - фосфолипаза С; фл - мембранные фосфолипиды; ИТФ - инозитолтрифосфат, Д АТ - диацилглицерол; ЭПР - эндоплазматический ретикулум; ПК - различные протеинкиназы.

Таблица 1

Мембранные ферменты и вторичные посредники, опосредующие действие гормонов через мембранные рецепторы

В зависимости от того, как осуществляется связь между рецептороми мембранным ферментом различают два типа рецепторов: 1) каталитические рецепторы; 2)рецепторы, сопряженные с G-белками.

Каталитические рецепторы: рецептор и фермент связаны непосредственно (могут представлять собой одну молекулу с двумя функциональными участками). Мембранными ферментами у этих рецепторов могут быть:

Тирозинкиназа (разновидность протеинкиназ); действие гормонов через тирозинкиназные рецепторы не требует обязательного наличия вторичных посредников;

Гуанилатциклаза - катализирует образование вторичного посредника циклической ГМФ (цГМФ) из ГТФ.

Рецепторы, сопряженные с G-белками: сигнал от молекулы рецептора передается сначала особому мембранному G-белку1, который далее активирует или ингибирует определенный мембранный фермент, которым может быть:

Аденилатциклаза - катализирует образование вторичного посредника циклической АМФ (цАМФ) из АТФ;

Фосфолипаза С - катализирует образование из мембранных фосфо­липидов двух вторичных посредников: инозитолтрифосфата (ИТФ) и диацилглицерола (ДАГ). ДАГ стимулирует протеинкиназу, а также является предшественником простагландинов и подобных им биологически активных веществ. Основной эффект ИТФ заключается в повышении содержания в цитоплазме еще одного вторичного посредника - ионов Са 2+ , которые поступают в цитозоль через ионные каналы плазмалеммы (из внеклеточной среды) или внутриклеточных депо Са2+(эндоплазматического ретикулума и митохондрий). Свое физиологическое действие ионы Са2+ осуществляют, как правило, в соединении с белком кальмодулином.

Действие через внутриклеточные рецепторы типично для стероидных и тироидных гормонов, которые благодаря своей жирорастворимости способны проникать через клеточные мембраны внутрь клетки и ее ядра (рис. 2).

Взаимодействуя с ядерными рецепторами, указанные гормоны влияют на процессы клеточного деления и реализации генетической информации (экспрессии генов), в частности, регулируют скорость биосинтеза функциональных клеточных белков - ферментов, рецепторов, пептидных гормонов и др.

В результате действия гормонов на цитоплазматические рецепторы изменяется активность клеточных органелл, например, интенсивность биологического окисления в митохондриях или синтеза белка в рибосомах.

В комплексе с цитоплазматическими рецепторами гормоны могут прони кать в ядро, действуя так же, как через ядерные рецепторы.

Рис.2. Механизмы внутриклеточного действия гормонов.

Обозначения: Г - гормоны; Rh - ядерные рецепторы; Rif - цитоплазматические рецепторы.

Механизм действия тиреоидных гормонов на клетки-мишени

Гормоны T3 и Т4 являются жирорастворимыми гормонами, которые транспортируются через мембрану в цитоплазму клетки-мишени (шаг 1) и связываются с тиреоидными рецепторами в ядре (шаг 2). Образованный комплекс ГР взаимодействует с ДНК (шаг 3), стимулирует процессы транскрипции - образование мРНК (шаг 4) и как следствие - синтез новых белков на рибосомах (шаг 5), что приводит к изменению функции клетки-мишени (шаг 6) (рис. 6.13).

Роль гормонов щитовидной железы в процессах роста, психического развития и метаболизма

Влияние гормонов на рост. Тиреоидные гормоны, как синергисты гормона роста и соматомединов (ИФР-I), в физиологических концентрациях стимулируют рост и развитие скелета, путем потенциации синтеза белков в клетках-мишенях, в том числе в хондроцитах, скелетных мышцах.

Гормоны также способствуют оссификации костей - закрыванию эпифизарных ростовых зон. При их недостатке ростовые зоны долго не закрываются и развитие костей отстает от хронологического возраста.

Влияние гормонов на ЦНС. Развитие ЦНС у детей после рождения осуществляется с обязательным учас-

РИС. 6.13. Схема механизма действия тиреоидных гормонов и их основные влияния на функции организма. 1-6 - последовательность реакции гормона со структурами ядра и системой синтеза новых белков

тю тиреоидных гормонов. Они способствуют миелинизации и разветвления отростков нейронов головного мозга, развития психических функций. Наибольшее влияние проявляется на кору большого мозга, базальные ганглии, завиток. При отсутствии тиреоидных гормонов в перинатальном периоде возникает умственная отсталость - кретинизм. Существует очень короткий период времени после рождения, когда заместительная терапия гормонами может способствовать нормальному психическому развитию. Поэтому важно выявлять дефицит гормонов еще до рождения ребенка.

У взрослых людей нормальные психические функции, память, скорость рефлекторных реакций поддерживаются с участием тиреоидных гормонов непосредственно и косвенно - благодаря увеличению количества адренорецепторов в нейронах ЦНС.

Люди, у которых наблюдается избыток тиреоидных гормонов, становятся раздражительными, неугомонными, скорость мыслительных процессов ускоряется. У людей с недостатком тиреоидных процессов мыслительные процессы замедляются, память ухудшается, скорость рефлекторных реакций уменьшается.

Влияние гормонов на интенсивность метаболизма. Интенсивность метаболизма в состоянии покоя под влиянием гормонов возрастает, особенно это заметно в условиях избытка тиреоидных гормонов. Увеличение интенсивности метаболизма происходит почти во всех клетках-мишенях, за исключением головного мозга, яичек, лимфатических узлов, селезенки, аденогипофиза. Повышается поглощение кислорода, теплообразования.

Рост интенсивности метаболизма под действием тиреоидных гормонов может в своей основе иметь их влияние на синтез клеточного ферментного белка - натрий калиевой АТФ-азы, расположенной в мембранах клеток. В свою очередь, интенсивная работа натрий-калиевых насосов увеличивает интенсивность метаболизма.

Влияние гормонов на углеводный метаболизм. Тиреоидные гормоны в физиологических концентрациях потенцируют действие инсулина и способствуют гликогенеза и утилизации глюкозы.

При увеличении концентрации гормонов (во время стресса или фармакологическим путем) развивается гипергликемия за счет потенциации гликогенолиза, вызванного адреналином. Растет глюконеогенез, окисления глюкозы и ее всасывания в кишечнике вторичным активным транспортом.

Влияние гормонов на белковый метаболизм. Тиреоидные гормоны в физиологических концентрациях имеют анаболическим действием - стимулируют синтез белков, однако в больших концентрациях вызывают их катаболизм.

Влияние гормонов на жировой метаболизм. Тиреоидные гормоны стимулируют все аспекты жирового метаболизма - синтез липидов, их мобилизацию и использование. Увеличение их концентрации приводит к липолиза - уменьшение в крови концентрации триглицеридов, фосфолипидов и рост свободных жирных кислот и глицерина. Под влиянием гормонов повышается количество рецепторов липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) и падает число холестероловых - в печени. Это приводит к увеличению выделения холестерина из организма, уменьшение его уровня в крови.

Метаболизм жирорастворимых витаминов также находится под влиянием тиреоидных гормонов - они необходимы для синтеза витамина А из каротина и превращение его в ретинен.

Влияние гормонов на автономную нервную систему заключается в том, что в клетках-мишенях увеличивается количество бета-адренорецепторов, которые синтезируются под влиянием тиреоидных гормонов, что приводит к усилению эффекта катехоламинов в эффекторных клетках.

Влияние гормонов на висцеральные системы. Система кровообращения. Частота сокращения сердца ускоряется благодаря увеличению количества β-адренорецепторов в пейсмекера и усиление влияния катехоламинов; сила сокращения - повышается в результате увеличения в кардиомиоцитах пула тяжелых цепей α-миозина, имеющих высокую активность АТФ-азы.

Система дыхания. Вентиляция легких углубляется, что является приспособительной реакцией к росту поглощения кислорода при увеличении интенсивности метаболизма.