Лекция 2 (с) проф. Е.И.Кононов

РАЗДЕЛ: РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

2.1.Общее представление о регуляции обмена веществ на уровне организма

Тело человека состоит из огромного количества клеток,

объединенных в более сложные структуры - ткани и органы, которые в

свою очередь объединены в еще более сложную систему, которую мы и

именуем организм. Функционирование этой сложнейшей системы возможно лишь при эффективной работе регуляторной системы, задачами

которой являются:

а) объединение всех клеток организма в целостную систему;

б) адаптация организма к изменениям условий внешней среды;

в) создание возможностей для дифференцированных изменений

функциональной активности отдельных органов и тканей.

Эти задачи интеграции, дифференциации и адаптации решаются в организме единой нейро-гуморальной системой регуляции, которую мы

часто и весьма произвольно делим на нервную систему регуляции и

на гуморальную систему регуляции. Нервную систему обычно рассматривают как регуляторную систему с жесткой структурой проведения

электрохимических регуляторных сигналов, тогда как гуморальная

система в качестве регуляторных сигналов использует различные молекулы, выделяемое клетками и транспортируемые через жидкие среды

организма, оказывающими воздействие или на прилежащие клетки, или

на клетки органов или тканей, достаточно удаленных от места выделения регуляторных молекул. Следует лишь иметь ввиду, что регуляторные эффекты нервной и гуморальной систем часто взаимодействую

друг с другом, дополняя и даже перекрывая одна другую, тем самым

достигается большая надежность работы единой регуляторной систе-

мы. Мы будем рассматривать лишь гуморальную систему регуляции.

Гуморальную систему регуляции делят на эндокринную и пара -

кринную. При функционировании эндокринной системы регуляторные мо-

лекулы синтезируются в клетках специализированных органов - желез

внутренней секреции, поступают в кровь, переносятся кровью в дру-

гие ткани и органы, где и оказывают свое специфическое действие.

Эти регуляторные молекулы принято называть гормонами. При работе

паракринной системы регуляторные молекулы синтезируются клетками

и, поступая в межклеточную фазу, воздействуют на близлежащие

клетки той же самой ткани. Эти регуляторные молекулы часто назы-

вают тканевыми гормонами или местными гормонами. Безусловно, все

разнообразие регуляторных молекул трудно подогнать под два эти

определения, поэтому часто все молекулы, принимающие участие в

передаче регуляторных сигналов между клетками, называют сигналь-

ными молекулами. Например, инсулин и кортизол являются типичными

гормонами, а простагландины и тромбоксаны являются тканевыми гор-

монами, но и те и другие относятся к сигнальным молекулам.

Основное внимание мы будем уделять функционированию эндок-

ринной системы. Итак, гормоны, это сигнальные молекулы, синтези-

руемые в клетках желез внутренней секреции, поступающие в крове-

носную или в лимфатическую систему и оказывающие регуляторный эф-

фект на клетки других органов и тканей. Гормонам присущи следую-

щие общие свойства:

а). Высокая биологическая активность - гормоны оказывают ре-

гуляторный эффект в наномолярных и даже в пикомолярных концентра-

циях (10-9 - 10-12 М).

б). Высокая специфичность действия: во-первых, для каждого

гормона характерен свой регуляторный эффект, во-вторых, отсутс-

твие гормона не может быть заменено в организме никакой комбина-

цией любых других гормонов.

г).Дистантность действия, под которой понимают их способность

оказывать регуляторный эффект в органах, удаленных от места син-

теза гормонов, в связи с чем для эффективной работы гормонов важ-

ное значение имеет состояние механизмов их транспорта.

2.2.Классификация гормонов

Существует несколько вариантов классификации гормонов в за-

висимости от того или иного признака, взятого за основу классифи-

кации. Так, существует классификация гормонов по месту их образо-

вания в организме. С этой точки зрения гормоны делятся на гормоны

гипоталамуса, гормоны гипофиза, гормоны щитовидной железы, гормо-

ны коры надпочечников, гормоны поджелудочной железы и т.д.

В основу второго варианта классификации заложена химическая

природа гормонов. По химической природе гормоны делятся на 4

класса:

1. Гормоны белковой природы, причем в этом классе можно

выделить два подкласса:

а) гормоны - простые белки ( инсулин, соматотропин );

б) гормоны - сложные белки ( тиреотропный гормон, гонадот-

ропные гормоны ), по химической природе они представляют собой

гликопротеиды ).

2. Гормоны полипептиды ( либерины и статины гипоталамуса,

вазопрессин и окситоцин, глюкагон, кортикотропин ).

3. Гормоны - производные аминокислот ( мелатонин, адрена-

лин, иодированые тиронины ).

4. Гормоны стероидной природы ( кортизол, альдостерон,

прогестерон, эстрадиол, тестостерон ).

Наконец, существует классификация гормонов по их функцио-

нальной роли. По этому признаку гормоны делят на классы:

1. Гормоны, регулирующие в организме обмен углеводов, ли-

пидов и белков ( инсулин, глюкагон, адреналин, кортизол, тирок-

син, соматотропин ).

2. Гормоны, регулирующие водно-солевой обмен ( вазопрес-

син, альдостерон).

3. Гормоны, регулирующие фосфорно-кальциевый обмен ( па-

ратгормон, кальцитонин, кальцитриол ).

4. Гормоны, регулирующие репродуктивные функции ( гонадот-

ропные гормоны, прогестерон, эстрадиол, тестостерон ).

5. Гормоны, регулирующие деятельность желез внутренней

секреции ( статины и либерины гипоталамуса, тиреотропный гормон,

кортикотропный гомон ).

2.3.Общая система гормональной регуляции метаболизма

Большинство желез эндокринной системы организма объединены

в общую регуляторную систему, высшим центром которой является ги-

поталамус. Ключевая роль гипоталамуса в эндокринной регуляции ме-

таболизма определяется двумя моментами: во-первых, именно гипота-

ламус, главным образом, опосредованно, через гипофиз контролирует

деятельность большинства остальных желез внутренней секреции;

во-вторых, гипоталамус, являясь частью центральной нервной систе-

мы, служит центром, осуществляющим объединение нервной и эндок-

ринной регуляции функций организма.

В ядрах гипоталамуса синтезируются гормоны, являющиеся по

своей химической природе полипептидами. Гормоны гипоталамуса пос-

тупают в переднюю долю гипофиза через специальную портальную сис-

тему, где регулируют главным образом выделение в кровь гипофи-

зарных гормонов. Эти гормоны гипоталамуса делятся на три группы.

Первую группу составляют гормоны, стимулирующие выделение гормо-

нов гипофиза в кровяное русло, они получили название рили-

зинг-гормонов или либеринов. Вторая группа гормонов гипоталамуса

ингибирует выделение гормонов гипофиза в кровь, их обычно именуют

статинами. К настоящему времени выделены следующие гормоны гипо-

таламуса, относящиеся к двум указанным группам:

а). Рилизинг-гормоны ( либерины )

1. Тиролиберин (ТРГ) - стимулирует выделение тиреотропного

гормона (ТТГ) гипофиза.

2. Кортиколиберин (КРГ) - стимулирует выделение адренокортикот-

ропного гормона (АКТГ) гипофиза.

3. Гонадолиберин (ГнРГ) - стимулирует выделение лютеинизирующе-

го (ЛГ) и фолликулстимулирующего (ФСГ) гормонов гипофиза.

4. Соматолиберин (СТГ-РГ) - стимулирует выделение соматотропно-

го гормона (СТГ) гипофиза.

Предполагается также существование в гипоталамусе пролактолибе-

рина (ПРЛ-РГ) и либерина меланоцитстимулирующего гормона (МСГ-РГ),

однако до настоящего времени получить их в высокоочищенном виде

не удалось.

б). Статины

1. Соматостатин (СС), ингибирующий выделение СТГ из гипофиза;

кроме того, он ингибирует выделение ТТГ.

2. Гонадолиберин-ассоциированный пептид (ГАП), ингибирующий вы-

деление пролактина (ПРЛ) из гипофиза; кроме того, выделение ПРЛ

сильно ингибируется дофамином. Иногда ГАП и дофамин объединяют под

названием пролактин-ингибирующие гормоны (ПИГ).

Предполагается также существование меланостатина (МСГ-С), одна-

ко его существование не было подтверждено.

Третью группу гормонов гипоталамуса составляю два гормона -

окситоцин и вазопрессин, которые, синтезируясь в гипоталамусе,

поступают в заднюю долю гипофиза, где временно накапливаются, а

затем поступают в кровяное русло.

Вторым уровнем системы гормональной регуляции является гипо-

физ. Гормоны гипофиза также можно разделить на три группы. Первую

группу составляют гормоны передней доли гипофиза, стимулирующие

деятельность периферических желез внутренней секреции. К ним от-

носятся:

1. ТТГ, стимулирующий синтез тетраиодтиронина (Т4) и три-

иодтиронина (Т3) в щитовидной железе.

2. АКТГ, стимулирующий синтез глюкокортикоидов корой над-

почечников.

3. ЛГ и ФСГ, стимулирующих синтез половых гормонов в се-

менниках и яичниках.

К второй группе гормонов гипофиза относятся гормоны, воз-

действующие на клетки различных органов и тканей: СТГ, ПРЛ, МСГ,

b-липотропный гормон (b-ЛПГ).

Третью группу гормонов составляют вазопрессин и окситоцин,

которые, как уже упоминалось, синтезируются в ядрах гипоталамуса,

но поступают в заднюю долю гипофиза, откуда поступают в кровяное

русло. Эти два гормона также оказывают свое действие на клетки

различных органов и тканей.

Наконец, третий уровень системы гормональной регуляции обра-

зуют периферические железы внутренней секреции, выделяющие раз-

личные гормоны, оказывающие регуляторные действие на уровне клеток

различных органов и тканей.

В описанную систему не включены такие железы внутренней сек-

реции как поджелудочная железа, мозговое вещество надпочечников,

тимус и эпифиз. Однако это вовсе не значит, что перечисленные же-

лезы абсолютно автономны. Так, было сообщение о выделении из тка-

ни гипофиза полипептида, стимулирующий выделение инсулина b-клет-

ками поджелудочной железы; на выделение инсулина поджелудочной

железы также оказывает влияние нейромедиатор ацетилхолин, а выде-

ление адреналина мозговым веществом надпочечников контролируется

волокнами чревного нерва.

Ъ—————————————————————————————————————————————————ї

і Г И П О Т А Л А М У С і

А————В————————————————————————————В————————————В——Щ

і і і

Ъ————В————В—Б——В————В——————ї Ъ———Е———ї і

і Л и б е р и н ы і іСтатиныі і

і і і і і і і і і і

ТРГ КРГ ГнРГ СРГ ПРЛ-РГ? МСГ-РГ? СС ПИГ МСГ-С? і

і і і і і і і і і і

v v v v v v v v v і

Ъ——————————————————————————————————————————————————В————і——————ї

і Г И П О Ф И і З і і

і іВазопрессині

і Тропные гормоны гипофиза іОкситоцин і

А—В————————В——————————В———————В————————В————В————В—Б————Е——————Щ

і і і і і і і і

ТТГ АКТГ ФСГ ЛГ і і і і

і і і і СТГ МСГ ПРЛ і

v v v v і і і і

Периферические эндокринные железы і і і і

Щитовид- Кора П о л о в ы е і і і і

ная надпочеч- ж е л е з ы і і і і

железа ников і і і і і

і і і і і і і

Т3,Т4 Кортико- Андрогены, і і і і

і стероиды эстрогены і і і і

і і і і і і і

v v v v v v v

Ъ—————————————————————————————————————————————————————————————ї

і КЛЕТКИ ПЕРИФЕРИЧЕСКИХ ОРГАНОВ И ТКАНЕЙ і

А———————————————————————————В—————————————————————————————————Щ

і

Р е г у л я т о р н ы е э ф ф е к т ы

Ъ————————————В———————————Е—————————————В————————————ї

v v v v v

Изменение Изменение Изменение Изменение Изменение

скорости скорости скорости активности проницаемости

репликации транскрипции трансляции ферментов мембран

2.4. Регуляция содержания гормонов в крови

Содержание гормонов в крови регулируется с помощью различных

механизмов. Наиболее часто встречающийся вариант - это регуляция

по принципу отрицательной обратной связи, когда повышение в крови

концентрации какого-либо гормона приводит к торможению его синте-

за, причем в реализации петли обратной связи может быть задейс-

твовано несколько желез внутренней секреции. Эта схема регуляции

наиболее часто встречается в системе гипоталамус ——> гипофиз ——>

периферическая железа внутренней секреции.

В гипоталамусе синтезируется рилизинг-гормон, который, воз-

действуя на гипофиз, стимулирует выделение в кровь тропного гор-

мона. Тропный гормон гипофиза, в свою очередь, стимулирует синтез

в периферической железе ее гормона. В результате срабатывания

подобной цепи в крови повышается уровень того или иного гормона

периферической железы внутренней секреции, воздействующего на кле-

тки мишени различных органов и тканей.

Повышение содержания в крови гормона периферической эндокрин-

ной железы оказывает ингибирующее действие на всю систему путем

торможения синтеза рилизинг-гормона в гипоталамусе, и тропного

гормона в гипофизе. Стимулирующий сигнал выключается и в перифе-

рической железе внутренней секреции снижается продукцию своего

гормона, а его постоянно идущая инактивация приводит к падению

содержания гормона в крови. Этот регуляторный механизм известен

под названием "длинная петля отрицательной обратной связи".

Тропный гормон гипофиза, выделение которого в кровь стимули-

руется рилизинг-гормоном гипоталамуса, также может оказывать ин-

гибирующее действие на синтез рилизинг-гормона в гипоталамусе,

что в конечном итоге приводит к затуханию стимулирующего сигнала

в системе. Этот механизм получил название "короткая петля отрица-

тельной обратной связи". Оба эти механизма представлены на следу-

ющей далее схеме:

ПЕРИФЕРИЧЕСКАЯ

ГИПОТАЛАМУС ГИПОФИЗ ЖЕЛЕЗА ВНУТРЕН-

НЕЙ СЕКРЕЦИИ

Длинная петля

Ъ—— ——— ——— ——— ——— ——В—— ——— ——— ——— ——— ——— ——ї

і і

(-) (-) і

і і

v v і

Ъ———————————ї Ъ———————————ї Ъ———————————————ї

і і і і і Гормон і

і Рилизинг- і і Тропный і і периферическойі

і гормон і————(+)——>і гормон і———(+)———>і железы і

і і і і і і

А———————————Щ А———————————Щ А———————————————Щ

^ і

і

А— ——— (-) ——— ——— ——Щ

Короткая петля

Примечание к схеме: (-) - ингибирующий эффект.

(+) - стимулирующий эффект

С помощью описанных механизмов регулируется продукция гормонов

щитовидной железы, коры надпочечников, яичников и семенников.

В организме существуют также регуляторные метаболитно-гормо-

нальные обратные связи. В этих случаях на выделение гормона той

или иной железой внутренней секреции оказывает регулирующее воз-

действие уровень какого-либо метаболита, содержание которого в

крови находится под контролем этого гормона. Два типичных примера:

глюкагон повышает содержание глюкозы в крови, в то же время высо-

кий уровень глюкозы в крови ингибирует выделение глюкагона

a-клетками поджелудочной железы; паратгормон вызывает повышение

содержания Са2+ в плазме крови, однако высокий уровень Са2+ в

плазме крови ингибирует выделение паратгормона из паращитовидных

желез.

2.5. Клетки-мишени и рецепторы гормонов

Общее количество клеток в организме взрослого человека сос-

тавляет по оценочным данным величину порядка 75 триллионов, при-

чем насчитывается около 200 типов дифференцированных клеток. Лишь

немногие из дифференцированных клеток способны продуцировать гор-

моны, но клетки практически все типов находятся под контролем тех

или иных гормонов. Клетки, способные тем или иным образом отве-

чать на воздействие какого-либо гормона, получили название клеток

-мишеней для данного гормона. В свою очередь, органы или ткани, в

которых воздействие гормона вызывает специфическую биохимическую

или физиологическую реакцию, получили название органы- мишени или

ткани-мишени для данного гормона. Следует лишь иметь в виду, что

та или иная ткань обычно содержит несколько типов дифференциро-

ванных клеток и далеко не все они реагируют на воздействие конк-

ретного гормона. Так, на воздействие тиреотропного гормона в его

органе-мишени - щитовидной железе реагируют тироциты, тогда как

другие варианты дифференцированных клеток, имеющихся в железе, на

ТТГ не реагируют. С другой стороны, гормоны также различаются по

широте спектра клеток, на которые они оказывают свое регулирующее

действие. Например, b-МСГ действует преимущественно на меланоци-

ты, стимулируя в них синтез меланина, тогда как инсулин воздейс-

твует на многие типы клеток, увеличивая, например, проницаемость

их наружных мембран для глюкозы.

Для того, чтобы клетка реагировала на появление в окружающий

ее среде гормона или другой сигнальной молекулы, она должна иметь

в своем составе специализированные структуры, способные распозна-

вать эти сигнальные молекулы. Такими специализированными структу-

рами являются клеточные рецепторы. По химической природе клеточ-

ные рецепторы представляют собой сложные белки - гликопротеиды,

имеющие в своей структуре специализированные функциональные цент-

ры, способные к избирательному взаимодействию с той или иной сиг-

нальной молекулой.

Избирательность взаимодействия рецептора с гормоном ( или

другой сигнальной молекулой ) базируется на комплементарности по-

верхности центра связывания гормона и поверхности гормона или от-

дельного его участка. Это связывание осуществляется за счет сла-

бых взаимодействий: электростатического или гидрофобного и поэто-

му обратимо.

Для рецепторов характерны три общих свойства: во-первых, вы-

сокая специфичность взаимодействия рецепторов с "своими" сигналь-

ными молекулами (высокая аффинность связывания), позволяющая от-

бирать для взаимодействия нужные молекулы из их многочисленного

окружения; во-вторых, высокая чувствительность, позволяющая улав-

ливать в окружающей среде "свои" сигнальные молекулы в концентра-

циях порядка нано- или даже пикомолей; в третьих, насыщаемость

связывания сигнальных молекул, обусловленная ограниченным коли-

чеством молекул-рецепторов в составе клетки.

Все рецепторы являются полидоменными белками. На одном из

доменов располагается центр связывания сигнальной молекулы - это

так называемый домен узнавания. Кроме домена узнавания в составе

рецепторов всегда имеется домен, отвечающий за запуск внутрикле-

точных механизмов, обеспечивающих ответ клетки на внешний регуля-

торный сигнал - это так называемый домен сопряжения. Взаимодейс-

твие центра связывания рецептора с своей сигнальной молекулой,

например с гормоном, изменяет конформацию домена узнавания, волна

конформационных изменений захватывает и домен сопряжения, что

приводит к "активации" рецептора и включению внутриклеточных ме-

ханизмов реализации внешнего регуляторного сигнала.

Каждая клетка имеет в своем составе несколько различных ре-

цепторов, поэтому она может реагировать на воздействие различных

сигнальных молекул, включая и различные гормоны. Набор рецепторов

у каждого типа дифференцированных клеток индивидуален, поэтому

каждый тип клеток реагирует лишь на определенный круг сигнальных

молекул. Рецепторы для одной и той же сигнальной молекулы у кле-

ток разного типа могут быть различными, поэтому один и тот же

гормон может вызывать в различных клетках разный ответ. Наконец,

для реализации внешних регуляторных сигналов, воспринимаемых с

помощью различных рецепторов, могут использоваться общие внутрик-

леточные механизмы и в таком случае клетка будет отвечать в ка-

кой-то мере одинаково на воздействие разных сигнальных молекул. В

результате действия перечисленных факторов складывается сложней-

шая мозаика функционирования регуляторных систем в многоклеточных

организмах.

2.6. Механизм действия гормонов

и других сигнальных молекул

Гормоны, как и другие сигнальные молекулы, воздействуют на

клетки, корректируя в них ход обменных процессов. Эта коррекция

метаболизма может базироваться на изменении количества различных

белков в клетке: структурных белков, белков-ферментов или транс-

портных белков, или же на изменении функциональной активности

клеточных белков, в особенности на изменениях эффективности ката-

лиза и трансмембранного переноса различных веществ.

Механизм действия гормонов в значительной мере зависит от

физико-химических свойств молекул гормонов. Гормоны белковой при-

роды, гормоны-пептиды, гормоны-производные аминокислот за исклю-

чением иодированных тиронинов, как и родственные по химической

природе другие сигнальные молекулы, обладая гидрофильными свойс-

твами, не способны проникать через наружные мембраны клеток. Ре-

цепторы этих биорегуляторов локализованы на внешней стороне нару-

жной клеточной мембраны, поэтому требуется специальный механизм,

обеспечивающий трансформацию внеклеточного регуляторного сигнала

в сигнал внутриклеточный. Как правило, это связано с синтезом в

клетке соединений, выступающих в качестве внутриклеточных мес-

сенджеров или "вторых вестников", обеспечивающих формирование ме-

таболического ответа клеток на внешний регуляторный сигнал.

Гормоны стероидной природы и иодированные тиронины, имеющие

гидрофобные свойства, могут проникать через наружную мембрану

внутрь клеток и , связываясь со своими рецепторами в цитозоле или

ядре, сами участвуют в формировании метаболического ответа клеток

на внешний регуляторный сигнал, в связи с чем эти биорегуляторы

не нуждаются в посредниках типа "вторых вестников".

Регуляторный эффект гормонов первой группы базируется в пер-

вую очередь на изменении функциональной активности уже имеющихся

в клетке белков, тогда как в основе регуляторных эффектов гормо-

нов-стероидов и иодированных тиронинов в первую очередь лежит из-

менение эффективности экспрессии генов и на этой основе изменение

количества белков в клетке. Безусловно, при воздействии гормо-

нов-белков, гормонов-пептидов и гормонов-производных аминокислот

также может происходить изменение эффективности экспрессии генов,

но это - результат воздействия на геном клеток модифицированных

белков-регуляторов, структура которых обычно изменяется при опос-

редованном участии внутриклеточных мессенджеров.

2.6.1. Механизм действия гормонов, рецепторы которых

локализованы в цитозоле или ядре

( Цитозольный механизм действия )

К сигнальным молекулам, рецепторы которых расположены в цитозо-

ле или даже в ядре клеток относятся, во-первых, гормоны стероид-

ной природы, такие как кортизол, альдостерон, тестостерон или

эстрадиол, во-вторых, гормоны щитовидной железы - иодированные

тиронины: трииодтиронин ( Т3 ) и тетраиодтиронин ( Т4 или тирок-

син ), в третьих, кальцитриол и , четвертых, ретиноевая кислота -

производное витамина А. Молекулы этих соединений гидрофобны и по-

этому могут свободно проникать через наружную клеточную мембрану

в цитозоль клетки. Не исключено, однако, что процесс проникнове-

ния этих гормонов в клетку более сложен, чем до сих пор предпола-

галось. По крайней мере, для кортизола было показано наличие в

наружной клеточной мембране специального белка переносчика, осу-

ществляющего "снятие" кортизола с белка транскортина, ответствен-

ного за перенос этого гормона плазмой крови, и перемещение моле-

кулы гормона через наружную клеточную мембрану.

Стероидные гормоны, поступив в цитозоль, взаимодействуют там

со своими рецепторами. Рецепторы представляют собой полидоменные

белки-гликопротеиды, имеющие в своем составе около 800 аминокис-

лотных остатков. В рецепторе для любого стероидного гормона

имеется три домена: С-концевой домен имеет в своей структуре

центр, обеспечивающий высокоспецифичное связывание конкретного

стероидного гормона; центральный домен, обеспечивающий связывание

рецептора со специфическим участком ДНК в регуляторной зоне того

или иного гена; N-концевой домен, обеспечивающий активацию или

торможение транскрипции соответствующего гена. В клетках содер-

жится до 10 000 молекул белков-рецепторов для каждого стероидного

гормона ( это около 0,01% от общего количества белков в клетке ).

В отсутствии гормона с центральным ДНК-связывающим доменом рецеп-

тора связан специальный белок-ингибитор, препятствующий проникно-

вению рецептора в ядро через поры в ядерной мембране.

Связывание гормона с С-концевым доменом рецептора приводит

к изменению конформации всей молекулы белка-рецептора, причем бе-

лок-ингибитор покидает рецептор, освобождая таким образом его

центральный домен. Это взаимодействие рецептора с гормоном полу-

чило название "активация рецептора". Образовавшиеся гормон-рецеп-

торные комплексы поступают в ядро, где и взаимодействуют с гормон-

чувствительными сайтами в различных частях ДНК. Как уже упомина-

лось, за специфичность этих взаимодействии отвечает центральный

домен активированного рецептора. Принято считать, что гормон-ре-

цепторные комплексы взаимодействуют с генами в районе транскрип-

ционных энхансеров, а N-концевые домены этих комплексов принимают

непосредственное участие в регуляции эффективности транскрипции

соответствующих генов, активируя или ингибируя эти процессы.

Ответ клетки на воздействие стероидного гормона часто двух-

стадийный. На первом этапе под прямым влиянием гормон-рецепторных

комплексов изменяется эффективность транскрипции небольшого коли-

чества генов, ответственных за синтез в клетке немногих регуля-

торных белков - так называемый "первичный ответ". На втором этапе

синтезированные регуляторные белки в свою очередь изменяют эффек-

тивность транскрипции других генов, в результате чего в клетке

изменяется количество белков-ферментов, белков-переносчиков,

структурных белков , отвечающих за формирование метаболического

ответа клетки на воздействие гормона - " вторичный ответ". Напри-

мер, при воздействии кортизола на гепатоциты на первом этапе в

клетках изменяется содержание семи белков, причем содержание 6 из

них увеличивается, а 1 - уменьшается. На втором этапе изменяется

содержание многих белков-ферментов, в том числе и ферментов, отве-

тственных за подготовку аминокислот к использованию в глюконео-

генезе, а также ферментов глюконеогенеза.

В разных типах клеток один и тот же гормон может вызвать

различные метаболические ответы, хотя рецепторы в них имеют, по-

видимому, одинаковую структуру. Дело в том, что каждый ген в

клетке находится под контролем сразу нескольких регуляторных бел-

ков, одним из которых и является активированный стероидом рецеп-

тор. Поскольку в клетках разных типов гены находится под контро-

лем различных тканеспецифичных наборов белков-регуляторов, разные

типы клеток и дают различный ответ на воздействие одного и того

же гормона.

Принято считать, что и иодированные тиронины (Т3 и Т4) дейс-

твуют по сходному механизму. По крайней мере, для них также было

показано наличие белков-рецепторов в цитозоле и ядре, взаимодейс-

твие гормонов с этими рецепторами, поступление образовавшихся гор-

мон-рецепторных комплексов в ядро и их взаимодействие с ДНК.

Мало разработан вопрос о возврате клетки в исходное состоя-

ние после воздействия гормонов этого типа. Безусловно, образовав-

шееся дополнительное количество белков может быть устранено за

счет действия протеиназ. Однако вопрос о том, каким образом гор-

мон-рецепторный комплекс уходит с регуляторной зоны гена остается

открытым.

2.6.2. Механизмы действия гормонов, рецепторы которых

локализованы в наружной клеточной мембране

( Мембранно-цитозольный механизм действия )

Молекулы гормонов белковой природы, гормонов-пептидов и гор-

монов-производных аминокислот, за исключением иодированных тиро-

нинов, гидрофильны. Они легко растворимы в воде, но не растворимы

в гидрофобной фазе, в связи с чем они без особых проблем перено-

сятся током крови, но не могут проникать через мембраны клеток.

Поэтому рецепторы таких гормонов локализованы в наружной клеточ-

ной мембране, причем гормонсвязывающий центр этих рецепторов рас-

положен на внешней стороне мембраны и может взаимодействовать с

гормоном, находящимся в жидкости, окружающей клетку. Безусловно,

механизмы действия отдельных гормонов этой группы могут сильно

различаться, тем не менее формирование ответа клетки на воздейс-

твие регуляторного сигнала начинается с образования гормон-рецеп-

торного комплекса на внешней стороне наружной клеточной мембраны,

следствием чего является генерация внутриклеточного химического

сигнала, изменяющего метаболизм клетки.

Рецепторы для гормонов этой группы можно разделить на 2

основных группы:

а. Рецепторы, сопряженные с G-белками.

б. Каталитические рецепторы.

На внешней стороне наружной клеточной мембраны локализованы

также рецепторы, участвующие в передаче нервных импульсов через

синапсы, так называемые каналообразующие рецепторы. Однако меха-

низм действия нейромедиаторов к рассматриваемой проблеме прямого

отношения не имеет и на нем мы останавливаться не будем.

2.6.2.1. Механизм действия гормонов,

рецепторы которых сопряжены с G-белками

Рецепторы гормонов этой группы в своей структуре имеют как ми-

нимум 2 домена. Один домен локализован на внешней стороне наруж-

ной клеточной мембраны и имеет в своей структуре гормонсвязываю-

щий центр. Второй, сопрягающий домен расположен, по-видимому,

внутри наружной клеточной мембраны и имеет в своей структуре

центр, ответственный за взаимодействие с одним из интегральных

белков мембраны, получившим название G-белка. В настоящее время

известно несколько вариантов этих белков. G-белки, или иначе

ГТФ-связывающие белки,обеспечивают передачу регуляторного сигнала

с рецептора после его взаимодействия с гормоном на один из фер-

ментов, локализованных на внутренней стороне наружной клеточной

мембраны. Изменение активности этих ферментов приводит к измене-

нию концентрации в клетке соединений, ответственных за дальнейшее

формирование метаболического ответа клетки на внешний регулятор-

ный сигнал. Эти соединения известны под название внутриклеточных

мессенджеров или вторых вестников, наиболее известными представи-

телями которых являются цАМФ, цГМФ, ионы Са+, продукты расщепле-

ния инозитолфосфатидов - инозитолтрифосфат и диацилглицерол.

а). Механизм действия гормонов, внутриклеточным

мессенджером которых является цАМФ.

К гормонам, внутриклеточным мессенджером которых является

цАМФ, относятся глюкагон, кортикотропин, вазопрессин, паратгор-

мон, адреналин при его взаимодействии с b-рецепторами клеток и

др. После образования гормонрецепторного комплекса происходит из-

менение конформации его сопрягающего домена и последний приобрета-

ет способность к взаимодействию с локализованным в мембране Gs-бе-

лком. Свободный Gs-белок связан с ГДФ и неактивен, в силу чего в

свободном виде он не может взаимодействовать с ферментом аденилат-

циклазой, локализованной на внутренней стороне наружной клеточной

мембраны. В ходе его взаимодействия с сопрягающим доменом гормон-

рецепторного комплекса конформация Gs-белка изменяется, он теряет

ГДФ и связывает в том же участке ГТФ. В комплексе с ГТФ Gs-белок

приобретает способность к взаимодействию с аденилатциклазой. При

взаимодействии активированного ГТФ Gs-белка с аденилатциклазой

фермент переходит в активную форму и начинает синтезировать в ци-

тозоле цАМФ из АТФ.

цАМФ, синтезированный активированной аденилатциклазой, взаи-

модействует в клетке с ферментом цАМФ-зависимой протеинкиназой

( или А-киназой ), переводя фермент в активную форму. Неактивная

А-киназа представляет собой тетрамер, состоящий из 2 каталитичес-

ких и 2 регуляторных субъединиц; при взаимодействии с цАМФ проис-

ходит диссоциация комплекса на регуляторные субъединицы, связан-

ные с цАМФ, и свободные каталитические субъединицы, обладающие

способность фосфорилировать различные внутриклеточные белки по

остаткам серина или треонина. Это фосфорилирование белков есть не

что иное как их ковалентная модификация, сопровождающаяся измене-

нием их функциональной активности: меняется каталитическая актив-

ность ферментов, изменяется способность транспортных белков пере-

носить свои лиганды через мембраны, а фосфорилирование белков,

участвующих в работе механизмов, отвечающих за экспрессию генов,

приводит к изменению и количеств отдельных белков в клетке. За

счет этих изменений и формируется метаболический ответ клетки на

воздействие гормона.

Возврат клетки в исходное состояние обусловлен работой нес-

кольких механизмов:

во-первых, поскольку гормонрецепторный комплекс формируется

за счет слабых взаимодействий, он легко диссоциирует, а свободный

гормон быстро инактивируется;

во-вторых, Gs-белок сам обладает способностью гидролизовать

ГТФ на ГДФ и неорганический фосфат. Поэтому через непродолжитель-

ное время, измеряемое 10-15 секундами, активированный Gs-белок

после гидролиза связанного с ним ГТФ переходит в неактивное сос-

тояние и теряет способность взаимодействовать с аденилатциклазой;

в третьих, цАМф в клетке быстро расщепляется специальным

ферментом - фосфодиэстеразой, тем самым инактивируется А-киназа;

в четвертых, в клетках имеется фермент ( или ферменты ) фос-

фопротеинфосфатаза, которая осуществляет дефосфорилирование бел-

ков, т.е. обеспечивает возврат функциональной активности клеточ-

ных белков к исходному уровню. Кстати, активность фосфопротеин-

фосфатазы ингибируется высоким уровнем цАМФ в клетке, поэтому при

расщеплении цАМФ фосфодиэстеразой активность фосфопротеинфосфата-

зы увеличивается.

Следует отметить, что в наружных мембранах клеток могут при-

сутствовать рецепторы, взаимодействие которых с соответствующим

гормоном может сопровождаться снижением уровня цАМФ в клетке, ин-

гибированием А-киназы и дефосфорилированием клеточных белков. Та-

ким образом действует на клетки адреналин, через свои a2-адренэр-

гические рецепторы. В этом случае образовавшийся гормон-рецептор-

ный комплекс взаимодействует в мембране клетки с так называемым

ингибиторным G-белком ( Gi-белком ). Активированный Gi-белок вза-

имодействует с аденилатциклазой на внутренней стороне клеточной

мембранны, блокируя активность фермента. Синтез цАМФ в клетке

прекращается, а имеющаяся в клетке цАМФ расщепляется фосфодиэсте-

разой. В результате уровень цАМФ резко падает. Таким образом,

один и тот же гормон - адреналин - в зависимости от типа рецепто-

ров, имеющихся в наружной мембране клеток ( a2-адренэргические

или b-адренэргические рецепторы ), может вызывать в клетках про-

тивоположные метаболические ответы.

б). Механизм действия гормонов, внутриклеточным

мессенджером которых является цГМФ.

Существует семейство сигнальных молекул-пептидов, выделяемых

тканью предсердий - это так называемые атриопептиды. Они стимули-

руют диурез и выделение ионов Na+ П c мочой, они расширяют сосуды,

Пони ингибируют секрецию альдостерона. Один из представителей этой

Пгруппы сигнальных пептидов - натрийуретический фактор предсердий,

Псвязываясь с рецепторами П клеток- Пмишеней, активирует мембранную

Пгуанилатциклазу, что вызывает повышение концентрации цГМФ в клет-

Пки, образующейся из ГТФ. цГМФ, содержание которой в клетках может

Пувеличиваться в несколько десятков раз, активирует цГМФ-зависимую

Ппротеинкиназу ( G-киназу ), которая в свою очередь фосфорилирует

Пвнутриклеточные белки, изменение активности которых и формирует

Пответ клетки на регуляторный сигнал. При прекращении действия ре-

Пгуляторного сигнала цГМФ расщепляется цГМФ-фосфодиэстеразой, что

Псоздает условия для возврата клетки в исходное состояние.

в) Механизм действия гормонов, внутриклеточными мессенджерами

которых являются продукты распада инозитолфосфатидов и ионы Са2+

К настоящему времени известно более 20 сигнальных молекул,

внутриклеточными мессенджерами которых выступают продукты расщеп-

ления инозитолфосфатидов. Примерами таких сигнальных молекул слу-

жат вазопрессин при его воздействии на гепатоциты; ангиотензин II

и серотонин при их воздействии на клетки клубочковой зоны надпо-

чечников; гормоны гипоталамуса ТРГ или ГнРГ, стимулирующие вы-

деление гипофизом тиреотропного гормона и гонадотропных гормонов.

Важную роль этот механизм играет также при формировании ответа

гладкомышечных клеток на воздействие ацетилхолина или же в стиму-

ляции секреции инсулина b-клетками поджелудочной железы под воз-

действием того же ацетилхолина.

Образование комплексов сигнальных молекул с их рецепторами на

внешней стороне наружной клеточной мембраны приводит к активации

интегрального белка мембран, условно называемого Gp-белком. Далее

этот белок взаимодействует с ферментом фосфоинозитид-специфичес-

кой фосфолипазой С, локализованным на внутренней стороне мембра-

ны. Активированная Gр-белком фосфолипаза С расщепляет имеющийся

во внутренней половине бислоя клеточной мембраны инозитолфосфатид

с образованием двух продуктов: инозитолтрифосфата (иначе фосфои-

нозитол-бисфосфат, PIP2) и диацилглицерола. Оба этих соединения

далее участвуют в формировании метаболического ответа клетки на

воздействие сигнальной молекулы.

Инозитолтрифосфат связывается с рецепторами имеющихся в

клетке Са2+-связывающих вакуолей, что приводит к быстрому выходу

ионов Са2+ из вакуолей в цитозоль и повышению его локальной конце-

нтрации в цитозоле с 10-7М до 10-6М. Увеличение концентрации ио-

нов Са2+ в цитозоле приводит к активации многих внутриклеточных

процессов как за счет непосредственного связывания Са2+ с внут-

риклеточными белками, так и за счет связывания Са2+ с кальмодули-

ном и изменения функциональной активности внутриклеточных белков

путем их взаимодействия с Са2+-кальмодулиновым комплексом. Таким

образом, если инозитолтрифосфат в этой системе является вторым

вестником, то ионы Са2+ можно рассматривать как третий вестник в

механизме действия рассматриваемых сигнальных молекул.

Диацилглицерол, образовавшийся в результате гидролиза инози-

толфосфатида, вместе с серинфосфатидом активируют в клетке фер-

мент, получивший название протеинкиназа-С или С-киназа. Этот фер-

мент катализирует в клетке фосфорилирование белков по остаткам

тирозина или треонина, которые в результате этой ковалентной мо-

дификации изменяют свою функциональную активность. Интересно, что

активность С-киназы сильно зависит от присутствии в окружающей ее

среде ионов Са2+. Отсюда, в активации С-киназы играют роль и вза-

имодействие фермента с диацилглицеролом, и повышение концентрации

ионов Са2+ за счет эффекта фосфоинозитолбисфосфата.

Механизм возврата клетки в исходное состояние включает в се-

бя следующие основные моменты: а) расщепление комплекса сигналь-

ная молекула-рецептор с последующей инактивацией сигнальной моле-

кулы; б) инактивация Gp-белка за счет гидролиза связанной с ним

ГТФ с последующей инактивацией фосфоинозитид-специфической фосфо-

липазы С; в) фосфоинозитолбисфосфат подвергается дефосфорилирова-

нию ( иногда фосфорилируется в РIP3 ) c потерей своей биологичес-

кой активности, а диацилглицерол или расщепляется до моноацилгли-

церола или фосфорилируется в фосфатидную кислоту - в обоих случа-

ях его биологическая активность исчезает; г) ионы Са2+ удаляются

из цитозоля или в кальцийсвязывающие органеллы или, во внеклеточ-

ное пространство за счет действия кальциевых транспортных АТФ-аз;

д) фосфорилированные С-киназой белки подвергаются дефосфорилиро-

ванию за счет действия фосфопротеинфосфатаз.

В работе регуляторных механизмов, использующих в качестве

вторых вестников цАМФ, цГМФ или продукты гидролиза инозитолфосфа-

тидов, имеется один общий момент - в системы включены механизмы

усиления сигнала. Гормон или иная сигнальная молекула, соединяясь

с рецептором, активирует фермент, генерирующий образование в

клетке множества молекул, выполняющих роль второго вестника. В

свою очередь второй вестник также активирует фермент, способный

быстро изменять функциональную активность большого числа различ-

ных белковых молекул, непосредственно отвечающих за формирование

метаболического ответа клеток.

2.6.2.2. Механизм действия гормонов, рецепторы которых

обладают каталитической активностью

Рецепторы ряда сигнальных молекул, таких как инсулин, ИФР-1,

фактор роста эпидермиса (ФРЭ), тромбоцитарный фактор роста (ТФР)

локализованы в наружных клеточных мембранах. Домен белка-рецепто-

ра, связывающий ту или иную сигнальную молекулы, расположен на

внешней стороне мембраны. Его второй домен, расположенный на

внутренней стороне клеточной мембраны, обладает каталитической

активностью. Оба домена связаны между собой участком полипептид-

ной цепи, пронизывающим мембрану. Связывание рецептора с сигналь-

ной молекулой приводит к изменению конформации рецептора и акти-

вации каталитического домена, который проявляет при этом протеин-

киназную активность, причем фосфорилирует белки по остаткам тиро-

зина. Высказано предположение, что фосфорилирование одного или

нескольких внутриклеточных белков лежит в основе формирования ме-

таболического ответа клетки на воздействие соответствующего био-

регулятора, однако это предположение до настоящего времени не до-

казано. Интересно, что во всех изученных случаях рецептор, обла-

дающий тирозинкиназной активностью, способен к аутофосфорилирова-

нию, однако опять же не установлено связи между эффектом аутофос-

форилирования рецепторов с формированием метаболического ответа

клетки.

После связывания лиганда многие каталитические рецепторы пе-

реходят внутрь клетки путем эндоцитоза в так называемых "окайм-

ленных пузрьках". Возможно, таким путем происходит перенос доме-

на, обладающего тирозинкиназной активностью, в новый участок

клетки, что может иметь значение для формирования ответа клетки

на воздействие сигнальной молекулы, но доказательств этого пока

также не существует. Не исключено, что этот эндоцитозный захват

лиганд-рецепторного комплекса просто играет определенную роль в

разрушении сигнальных молекул или служит механизмом уменьшения

числа рецепторов на поверхности клеток.

2.7. Механизмы регуляции чувствительности клеток к

воздействию гормонов и других сигнальных молекул

Длительное воздействие на клетки молекул, являющихся внешни-

ми регуляторными сигналами, в особенности при их высокой концен-

трации, сопровождается снижением чувствительности клеток к этим

биорегуляторам. Этот эффект получил название десенситизации ( де-

сенсибилизации ) клеток, иногда используется термин "адаптация"

клеток.

Десенситизация клеток к химическим сигналам может осущест-

вляться с помощью различных механизмов, реализуемых или на уровне

рецепторов, или на уровне пострецепторных механизмов формирования

клеточного ответа.

При длительном воздействии на клетку гормонов- белков, нап-

ример, инсулина, или белковых факторов роста ( ЭФР) часть гор-

мон-рецепторных комплексов подвергается эндоцитозному захвату,

тем самым количество рецепторов на поверхности клеток уменьшает-

ся. В дальнейшем эти гормон-рецепторные комплексы могут полностью

разрушаться в лизосомах, однако в ряде случаев в эндосомах проис-

ходит диссоциация гормон-рецепторного комплекса и высвобожден-

ный рецептор может вновь поступать в мембрану. Тем не менее и в

последнем случае часть времени рецептор находится внутри клеток и

не взаимодействует с гормоном, циркулирующим во внеклеточной сре-

де. Этот эффект известен под названием "секвестрация рецепторов".

Рецепторы в составе мембран могут подвергаться обратимой хи-

мической модификации, причем в модифицированной форме рецептор

теряет способность взаимодействовать со своим лигандом - сигналь-

ной молекулой. Наиболее известным вариантом химической модифика-

ции рецепторов является их фосфорилирование, таким путем регули-

руется функция b-адренэргических рецепторов. Но это не единствен-

ный способ изменения химической структуры рецепторов, обсуждается

в качестве варианта десенситизации метилирование рецепторов.

Десенситизация клеток может быть связана с изменениями в

структуре, а значит и в функционировании G-белков. Так, было по-

казано, что при длительном воздействии простагландина PGE1 на

фибробласты, регуляторной эффект которого реализуется через аде-

нилатциклазную систему с участием Gs-белков, клетки теряли чувс-

твительность не только к PGE1, но и к другим сигнальным молеку-

лам, эффект которых реализуется с участием Gs-белков. Проведенные

исследования показали, что в данном случае десенситизация фиброб-

ластов связана с изменениями в Gs-белках. Высказано предположение

что суть этих изменений заключается в их фосфорилировании, хотя

нельзя исключить и других вариантов их химической модификации.

Вероятно, в клетках существуют и другие механизмы, обеспечи-

вающие их десенситизацию, функционирующие в клетках на более

поздних этапах формирования метаболического ответа; по крайней

мере они уже обнаружены в бактериальных клетках.

Поиск по сайту: