Химическая природа и общие механизмы действия гормонов

Гормоны подразделяют по химической природе на три группы: 1) произ­водные аминокислот —тиреоидные гормоны, адреналин, гормоны эпифи­за; 2) пептидные гормоны, простые (протеины) и сложные (гликопротеи­ды) белки — гипоталамические нейропептиды, гормоны гипофиза, остров­кового аппарата поджелудочной железы, околощитовидных желез; 3) сте­роидные гормоны, образующиеся из холестерина гормоны коры надпочеч­ников, половых желез, гормон почечного происхождения кальцитриол.

6. L1. Механизмы действия пептидных, белковых гормонов и катехоламинов

Молекулу гормона обычно называют первичным посредником регулятор­ного эффекта, или лигандом. Молекулы большинства гормонов связывают­ся со специфическими для них рецепторами плазматических мембран кле­ток мишеней, образуя лиганд-рецепторный комплекс. Для пептидных, белко­вых гормонов и катехоламинов его образование является основным началь­ным звеном механизма действия и приводит к активации мембранных ферментов и образованию различных вторичных посредников гормонально­го регуляторного эффекта, реализующих свое действие в цитоплазме, орга­ноидах и ядре клетки. Среди ферментов, активируемых лиганд-рецептор- ным комплексом, описаны: аденилатциклаза, гуанилатциклаза, фосфолипа­зы С, D и А₂, тирозинкиназы, фосфаттирозинфосфатазы, фосфоинозитид-3- ОН-киназа, серинтреонин-киназа, синтаза N0 и др. Вторичными посредни­ками, образующимися под влиянием этих мембранных ферментов, явля­ются: 1) циклический аденозинмонофосфат (цАМФ); 2) циклический гуано­зинмонофосфат (цГМФ); 3) инозитол-3-фосфат (ИФЗ); 4) диацилглицерол\

Таблица 6.1. Органы, ткани и клетки с эндокринной функцией

5) олиго (А) (2,5-олигоизоаденилат); 6) Са²⁺ (ионизированный кальций); 7) фосфатидная кислота; 8) циклическая аденозиндифосфатрибоза; 9) N0 (оксид азота). Многие гормоны, образуя лиганд-рецепторные комплексы, вызывают активацию одновременно нескольких мембранных ферментов и, соответственно, вторичных посредников.

Значительная часть гормонов и биологически активных веществ взаи­модействуют с семейством рецепторов, связанных с G-белками плазмати­ческой мембраны (андреналин, норадреналин, аденозин, ангиотензин, эн­дотелии и др.).

6.1.1.1. Основные системы вторичных посредников

1. Система аденилатциклаза—цАМФ (рис. 6.1). Мембранный фермент аденилатциклаза может находиться в двух формах — активированной и не­активированной. Активация аденилатциклазы происходит под влиянием гормон-рецепторного комплекса, образование которого приводит к связы­ванию гуанилового нуклеотида (ГТФ) с особым регуляторным стимули­рующим белком (GS-белок), после чего GS-белок вызывает присоединение Mg к аденилатциклазе и ее активацию. Так действуют активирующие аде- нилатциклазу гормоны — глюкагон, тиротропин, паратирин, вазопрессин (через V-2-рецепторы), гонадотропин и др. Ряд гормонов, напротив, по­давляет аденилатциклазу — соматостатин, ангиотензин-II и др. Гормон-ре- цепторные комплексы этих гормонов взаимодействуют в мембране клетки с другим регуляторным ингибирующим белком (GI-белок), который вызы­вает гидролиз гуанозинтрифосфата (ГТФ) до гуанозиндифосфата (ГДФ) и, соответственно, подавление активности аденилатциклазы. Адреналин через 0-адренорецепторы активирует аденилатциклазу, а через а,-адренорецепто- ры ее подавляет, что во многом и определяет различия эффектов стимуля­ции разных типов рецепторов.

Под влиянием аденилатциклазы из АТФ синтезируется цАМФ, вызы­вающий активацию двух типов протеинкиназ в цитоплазме клетки, веду­щих к фосфорилированию многочисленных внутриклеточных белков. Это повышает или снижает проницаемость мембран, активность и количество ферментов, т. е. вызывает типичные для гормона метаболические и, соот­ветственно, функциональные сдвиги жизнедеятельности клетки. В табл. 6.2 приведены основные эффекты активации цАМФ-зависимых протеинкиназ.

Кроме активации протеинкиназ внутриклеточные эффекты цАМФ реа­лизуются также через другие механизмы: систему кальций—кальмодулин, трансметилазную систему, аденозин-5-монофосфат — аденозин, тирозин- киназы. О роли системы кальций—кальмодулин сказано ниже.

Таблица 6.2. Некоторые эффекты фосфорилирования белков клетки цАМФ-зависимой

Рис. 6.1. Опосредование гормонального сигнала системой аденилатциклаза— цАМФ.

Образование гормон-рецепторного комплекса приводит к связыванию гуанилового нуклеоти­да (ГТФ) с регуляторным стимулирующим белком (GS-белок), последний вызывает присоеди­нение Mg к аденилатциклазе и ее активацию (слева вверху). Так действуют активирующие аде- нилатциклазу гормоны — глюкагон, тиротропин, паратирин и др. Гормон-рецепторные ком­плексы соматостатина, ангиотензина-II и других подавляющих аденилатциклазу гормонов взаимодействуют в мембране клетки с другим регуляторным ингибирующим белком (GI-бе- лок), который вызывает гидролиз ГТФ до ГДФ и, соответственно, подавление активности аде- нилатциклазы (вверху справа). Под влиянием аденилатциклазы из АТФ синтезируется цАМФ, вызывающий активацию протеинкиназ в цитоплазме клетки и фосфорилирование многочис­ленных внутриклеточных белков. Это меняет проницаемость мембран, активность и количест­во ферментов, т. е. вызывает типичные для гормона метаболические и, соответственно, функ­циональные сдвиги. Внутриклеточные эффекты цАМФ реализуются также через другие меха­низмы: систему кальций-кальмодулин, трансметилазную систему, аденозин-5-монофосфат-— аденозин, тирозинкиназы.

Трансметилазная система обеспечивает метилирование ДНК, всех типов РНК, белков хроматина и мембран, ряда гормонов на уровне тканей, фос­фолипидов мембран. Это способствует реализации многих гормональных влияний на процессы пролиферации, дифференцировки, состояние про­ницаемости мембран и свойства их ионных каналов и, что важно подчерк­нуть особо, влияет на доступность мембранных рецепторных белков моле­кулам гормонов.

Прекращение гормонального эффекта, реализуемого через систему аде- нилатцикл аза—цАМФ, осуществляется с помощью специального фермента фосфодиэстеразы цАМФ, вызывающей гидролиз этого вторичного посред­ника с образованием аденозин-5-монофосфата. Однако этот продукт гид­ролиза превращается в клетке в аденозин, также обладающий эффектами вторичного посредника, так как подавляет в клетке процессы метилиро­вания.

2. Система гуанилатциклаза-цГМФ. Активация мембранной гуанилат- циклазы происходит не под непосредственным влиянием гормон-рецеп- торного комплекса, а опосредованно через ионизированный кальций и ок­сидантные системы мембран. Определяющая эффекты ацетилхолина сти­муляция активности гуанилатциклазы также осуществляется опосредован­но через Са²⁺. Через активацию гуанилатциклазы реализует эффект и на­трийуретический гормон предсердий — атриопептид. Путем активации пе­рекисного окисления стимулирует гуанилатциклазу гормон эндотелия со­судистой стенки оксид азота — расслабляющий эндотелиальный фактор. Под влиянием гуанилатциклазы из ГТФ синтезируется цГМФ, активирую­щий цГМФ-зависимые протеинкиназы, которые уменьшают скорость фос­форилирования легких цепей миозина в гладких мышцах стенок сосудов, приводя к их расслаблению. В большинстве тканей биохимические и фи­зиологические эффекты цАМФ и цГМФ противоположны. Примерами могут служить стимуляция сокращений сердца под влиянием цАМФ и тор­можение их цГМФ, стимуляция сокращения гладких мышц кишечника цГМФ и подавление цАМФ. цГМФ обеспечивает гиперполяризацию ре­цепторов сетчатки глаза под влиянием фотонов света. Ферментативный гидролиз цГМФ, а следовательно, и прекращение гормонального эффекта, осуществляется с помощью специфической фосфодиэстеразы.

3. Система фосфолипаза С — инозитол-3-фосфат (рис. 6.2). Гормонре- цепторный комплекс с участием регуляторного G-белка ведет к активации мембранного фермента фосфолипазы С, вызывающей гидролиз фосфоли­пидов мембраны с образованием двух вторичных посредников: инозитол- 3-фосфата и диацилглицерола. Инозитол-З-фосфат вызывает выход Са²⁺ из внутриклеточных депо, в основном из эндоплазматического ретикулума, ионизированный кальций связывается со специализированным белком кальмодулином, что обеспечивает активацию протеинкиназ и фосфорили­рование внутриклеточных структурных белков и ферментов. В свою оче­редь диацилглицерол способствует резкому повышению сродства протеин­киназы С к ионизированному кальцию, последний без участия кальмоду­лина ее активирует, что также завершается процессами фосфорилирования белков. Диацилглицерол одновременно реализует и другой путь опосредо­вания гормонального эффекта за счет активирования фосфолипазы А-2. Под влиянием последней из мембранных фосфолипидов образуется арахи­доновая кислота, являющаяся источником мощных по метаболическим и физиологическим эффектам веществ — простагландинов и лейкотриенов. В разных клетках организма превалирует один или другой путь образования вторичных посредников, что в конечном счете и определяет физиологиче-

Рис. 6.2. Опосредование гормонального сигнала системой фосфолипаза С-инози- тол-3-фосфат.

Образование гормон-рецепторного комплекса при участии регуляторного G-белка активирует мембранную фосфолипазу С, вызывающую гидролиз фосфолипидов мембраны с образовани­ем двух вторичных посредников: инозитол-3-фосфата и диацил глицерола. Инозитол-З-фосфат ведет к выходу Са²⁺ из внутриклеточных депо. Связывание ионизированного кальция со спе­циализированным белком кальмодулином активирует протеинкиназы и вызывает фосфорили­рование внутриклеточных структурных белков и ферментов. Диацилглицерол повышает срод­ство протеинкиназы С к Са²⁺, способствуя ее активации, что также завершается процессами фосфорилирования белков. Диацилглицерол одновременно реализует другой путь опосредова­ния гормонального эффекта, активируя фосфолипазу А-2 и образование простаноидов.

ский эффект гормона. Через рассмотренную систему вторичных посредни­ков реализуются эффекты адреналина (при связи с альфа-адренорецепто­ром), вазопрессина (при связи с V-1-рецептором), ангиотензина-II, сома­тостатина, окситоцина.

4. Система кальций—кальмодулин. Ионизированный кальций поступает в клетку после образования гормон-рецепторного комплекса либо из вне­клеточной среды за счет активирования медленных кальциевых каналов мембраны (как это происходит, например, в миокарде), либо из внутри­клеточных депо под влиянием инозитол-3-фосфата. В цитоплазме немы­шечных клеток кальций связывается со специальным белком-кальмодули- ном, а в мышечных клетках роль кальмодулина выполняет тропонин С. Связанный с кальцием кальмодулин изменяет свою пространственную ор­ганизацию и активирует многочисленные протеинкиназы, обеспечиваю­щие фосфорилирование, а следовательно изменение структуры и свойств белков. Кроме того комплекс кальций—кальмодулин активирует фосфо­диэстеразу цАМФ, что подавляет эффект циклического соединения как вторичного посредника. Вызываемое гормональным стимулом кратковре­менное увеличение в клетке кальция и его связывание с кальмодулином является пусковым стимулом для многочисленных физиологических про­цессов — сокращения мышц, секреции гормонов и выделения медиаторов, синтеза ДНК, изменения подвижности клеток, транспорта веществ через мембраны, изменения активности ферментов.

6.1.1.2. Взаимосвязи вторичных посредников

В клетках организма присутствуют или могут образовываться одновремен­но несколько вторичных посредников. В связи с этим между вторичными посредниками устанавливаются различные взаимоотношения: 1) равно­значное участие, когда разные посредники необходимы для полноценного гормонального эффекта; 2) один из посредников является основным, а другой лишь способствует реализации эффектов первого; 3) посредники действуют последовательно (например, инозитол-3-фосфат обеспечивает освобождение кальция, диацилглицерол облегчает взаимодействие кальция с протеинкиназой С); 4) посредники дублируют друг друга для обеспече­ния избыточности с целью надежности регуляции; 5) посредники являются антагонистами, т. е. один из них включает реакцию, а другой — тормозит (например, в гладких мышцах сосудов инозитол-3-фосфат и кальций реа­лизуют их сокращение, а цАМФ — расслабление).

6.1.2. Механизм действия стероидных гормонов

Стероидные гормоны (рис. 6.3) обладают двумя путями действия на клет­ки: 1) классическим геномным или медленным и 2) быстрым негеномным.

6.1.2.1. Геномный механизм действия

Геномный механизм действия на клетки-мишени начинается трансмем­бранным переносом молекул стероидных гормонов в клетку (благодаря их растворимости в липидном бислое клеточной мембраны), с последующим связыванием гормона с цитоплазменным белком-рецептором. Эта связь с рецепторным белком необходима для поступления стероидного гормона в ядро, где происходит его взаимодействие с ядерным рецептором. После­дующее взаимодействие комплекса гормон—ядерный рецептор с хромати­новым акцептором, специфическим кислым белком и ДНК влечет за со­бой: активацию транскрипции специфических мРНК, синтез транспорт­ных и рибосомных РНК, процессинг первичных РНК-транскриптов и транспорт мРНК в цитоплазму, трансляцию мРНК при достаточном уров­не транспортных РНК с синтезом белков и ферментов в рибосомах. Все эти явления требуют длительного (часы, сутки) присутствия гормон-рецеп- торного комплекса в ядре.

6.1.2.2. Негеномный механизм действия

Эффекты стероидных гормонов проявляются не только спустя несколько часов, что требуется для ядерного влияния, часть из них проявляется очень

быстро, в течение нескольких минут. Это такие эффекты, как повышение проницаемости мембран, усиление транспорта глюкозы и аминокислот, освобождение лизосомальных ферментов, сдвиги энергетики митохондрий. К числу быстрых негеномных эффектов стероидных гормонов относятся, например, увеличение в течение 5 мин после введения человеку альдосте­рона общего периферического сосудистого сопротивления и артериального давления, изменение транспорта натрия через мембрану эритроцитов (во­обще лишенных ядра) под влиянием альдостерона в опытах in vitro, быст­рый вход Са²⁺ в клетки эндометрия под влиянием эстрогенов и др. Меха­низм негеномного действия стероидных гормонов заключается в связыва­нии на плазматической мембране клетки со специфическими рецепторами и активации каскадных реакций систем вторичных посредников, например фосфолипазы С, инозитол-3-фосфата, ионизированного Са²⁺, протеинки­назы С. Под влиянием стероидных гормонов в клетке может увеличиваться содержание цАМФ и цГМФ. Негеномный эффект стероидных гормонов

1 — классический геномный путь действия (гормон проникает через клеточную мембрану и цитоплазму в ядро, где после взаимодействия с ядерным рецептором воздействует на гены-ми- шени, активируя их). 2а и 2б — негеномные пути действия через мембранные рецепторы: 2а — пути, связанные с мембранным ферментом и образованием вторичного посредника, ведущего к активации протеинкиназ. Последние через фосфорилирование в ядре белка-коактиватора (БКА) активируют гены-мишени; 26 — пути, связанные с ионными каналами клеточной мем­браны, в результате чего гормон-рецепторный комплекс активирует ионные каналы, меняя возбудимость клетки. 3 — альтернативный негеномный путь действия (молекула гормона, про­никая через мембрану в цитоплазму, взаимодействует с цитозольным рецептором, что приво­дит к активации цитозольных киназ.

может быть реализован и после их связывания с цитоплазматическими ре­цепторами. Часть негеномных эффектов стероидных гормонов осуществ­ляется благодаря их взаимодействию с рецепторами, связанными с ворот­ным механизмом ионных каналов мембран нервных клеток, являясь тем самым модуляторами, например, глицин-, серотонин- или гамма-аминобу- тиратергических нейронов. Наконец, растворяясь в липидном бислое мем­браны, стероидные гормоны могут менять физические свойства мембраны, такие как ее текучесть или проницаемость для гидрофильных молекул, что также является негеномным эффектом.

Таким образом, механизмы действия гормонов разной химической структуры имеют не только различия, но и общие черты. Как и стероиды, пептидные гормоны обладают способностью избирательно влиять на транскрипцию генов в ядре клетки. Этот эффект пептидных гормонов мо­жет быть реализован не только с поверхности клетки при образовании вто­ричных посредников, но и путем поступления пептидных гормонов внутрь клетки за счет интернализации гормон-рецепторного комплекса.

6.L3. Саморегуляция чувствительности эффектора к гормональному сигналу

Изменение характера и интенсивности регуляторных сигналов, поступаю­щих к клетке, ведет к адаптивной перестройке ее рецепторных структур за счет специальных механизмов саморегуляции, изменяющих чувствитель­ность клетки к этому сигналу. Так, при избыточности внеклеточного гумо­рального сигнала формируется десенситизация соответствующего рецепто­ра, т. е. уменьшение его чувствительности к гуморальному регулятору из-за ослабления сродства рецептора к молекуле лиганда или числа рецепторных молекул. Механизм десенситизации рецепторов, реализующих регулятор­ный эффект через системы вторичных посредников, представлен на рис. 6.4. При наличии во внеклеточной среде избыточного гуморального сигнала и/или увеличении времени связывания лиганда с рецептором ак­тивируемая лиганд-рецепторным взаимодействием протеинкиназа плазма­тической мембраны фосфорилирует рецептор, в результате его аффинность к лиганду уменьшается в 2—5 раз, что предотвращает чрезмерность регуля­торного эффекта. Если этого снижения чувствительности рецептора недос­таточно, рецептор фосфорилируется другой протеинкиназой, активируе­мой соответствующим вторичным посредником. Следствием такого фос­форилирования является нарушение сопряжения рецепторов с G-белками и нарушение эффектов G-белков (активирующих или ингибирующих) на системы вторичных посредников и ионные каналы. Наконец, в случаях недостаточной эффективности двух указанных механизмов десенситизации гормон-рецепторные комплексы интернализуются внутрь клетки с образо­ванием рецепторосомы (вакуоль с рецептором). В последующем, если уро­вень гуморального регулятора во внеклеточной микросреде снизится в те­чение 2—3 ч, интернализированный рецептор может вновь встроиться в мембрану, а если повышенная концентрация регулятора сохраняется — ре­цепторосомы сливаются с лизосомами и рецепторы разрушаются. Десенси­тизация рецепторов может быть гомологической, проявляющейся в сниже­нии чувствительности только к тому гуморальному регулятору, избыток которого ее вызвал, и гетерологической, заключающейся в снижении чув­ствительности и к другим гуморальным факторам регуляции, но также реа­лизующим эффект через связанные с G-белком рецепторы и те же вторич­ные посредники.

Рис. 6.4. Схема трех путей десенситизации клетки к избыточному внешнему регуля­торному сигналу.

1. Снижение сродства рецептора к лиганду из-за фосфорилирования рецептора мембранной протеинкиназой. 2. Нарушение связи молекулы рецептора с G-белком при фосфорилирова­нии рецептора цитоплазматическими протеинкиназами. 3. Интернализация лиганд-рецептор- ного комплекса и разрушение рецептора ферментами лизосом. Стрелками со знаком (—) обо­значено подавление процесса взаимодействия.

Чувствительность клеток к внешним регуляторным сигналам зависит также и от числа так называемых свободных, или резервных, рецепторов, т. е. доступных для лиганда. Увеличивая синтез этих мембранных структур или их «всплывание» на поверхность мембраны, клетка способна повы­шать чувствительность к регуляторному сигналу (сенситизация), например в случаях недостаточного количества молекул гуморального регулятора во внеклеточной микросреде. Повышение чувствительности к регуляторному сигналу является также следствием возросшего сопряжения рецепторов с G-белком и системой вторичных посредников.

Клетки организма, как правило, используют не один, а несколько путей реализации одного гуморального регуляторного сигнала, в связи с чем для каждого лиганда (например, молекул одного гормона) на мембранах суще­ствуют несколько типов рецепторов. Так, для ацетилхолина, гистамина, катехоламинов, опиоидных пептидов, серотонина, вазопрессина иденти­

фицировано два (вазопрессин), три (опиоиды), четыре (мускариновые для ацетилхолина) и более (катехоламины, серотонин) мембранных рецепто­ров. Соответственно, меняя за счет саморегуляции чувствительность ре­цепторов одного типа, клетка изменяет характер функционирования и способна компенсировать неадекватные сдвиги в регуляторных влияниях.

Одним из регуляторных эффектов, реализуемых внутри клетки с помо­щью систем вторичных посредников мембранного лиганд-рецепторного взаимодействия, является изменение функционального состояния генома клетки и биосинтеза белка. Но и ядро клетки способно менять состояние плазматической мембраны, ее чувствительность к сдвигам внеклеточной среды, в том числе и изменению в ней количества и характера регулятор­ных сигналов. В клетках под контролем генома происходит синтез специ­альных белков — инверторов, оказывающих различное влияние на функ­циональное состояние мембраны в зависимости от адаптивно-компенса­торных потребностей клетки — изменение активности рецепторов, состоя­ния ионных каналов и насосов. Эти белки могут вести к гиперполяриза­ции клеточной мембраны, ослаблению функциональной активности клет­ки, с одновременным повышением синтеза белка и процессов регенерации внутриклеточных структур.