6 курс / Эндокринология / Гормоны_механизмы_действия_Частная_гормонология_Л

Так действуют ЦК, некоторые гормоны (СТГ, лептин, пролактин). Реализуемые эффекты – изменение метаболизма и функций, геномные эффекты.

4.Каталитические, или ферментные рецепторы.

Втаких рецепторах белок соединяет свойства рецептора и фермента. Этот белок имеет три домена: а) рецепторный; б) трансмембранный; в) ферментный (ГЦ или ТК). ГЦ активируется НУФ, гуанилином, сперактом (образуется яйцеклеткой для приманивания сперматозоидов). Через рецепторные ТК действует инсулин, большинство ФРК, некоторые ЦК. Основные эффекты: геномные, изменение метаболизма и функций.

5. Внутриклеточные рецепторы.

Гормон-рецепторный комплекс образуется в ядре или цитозоле и, проникая в ядро, реализует геномные эффекты (экспрессию генов, пролиферацию, дифференцировку, клеточный шок, выживание, апоптоз, злокачественную трансформацию).

У большинства гормонов существует несколько типов рецепторов. Через разные рецепторы гормон может реализовать функционально близкие эффекты: глутамат возбуждает, а ГАМК тормозит активность нейронов. Но чаще разные рецепторы реализуют различные и даже противоположные эффекты одного гормона. Очевидно, что наличие нескольких рецепторов одного гормона и то, что рецептор может быть связан с разными СТС, способствует плейотропности, а часто – обратимости и дуализму действия гормонов. Одна и та же клетка может быть чувствительна к 4–23 гормонам.

Гормоны можно классифицировать по локализации и типу рецепторов, а также по природе сигнала, опосредующего действие гормона внутри клетки.

4. МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ГОРМОНОВ

4.1. ДЕЙСТВИЕ ГОРМОНОВ ЛИПОФИЛЬНОЙ ПРИРОДЫ

Липофильные гормоны, за исключением ЙТ и ретиноата, являются производными холестерина. После секреции свободный гормон диффундирует сквозь плазматическую мембрану и затем связывается с рецептором либо в гиалоплазме, либо в ядре. Возникший гормонрецепторный комплекс связывается со специфическим участком ДНК,

который называется гормон-реактивным элементом (ГРЭ). Он функционально аналогичен энхансеру или сайленсеру, и в результате меняется экспрессия гена (то есть активируются или ингибируются специфические гены). Например, увеличение матки во время беременности, рост молочной железы перед и во время лактации.

11

Комплекс липофильных гормонов с их рецепторами – это лигандсвязанные ТФ. Между двумя группами липофильных гормонов есть существенные различия в локализации их рецепторов. Рецепторы стероидных гормонов находятся в цитозоле в неактивном комплексе с шаперонами, после их диссоциации гормон-рецепторный комплекс перемещается в ядро и там взаимодействует с ГРЭ. Рецепторы йодтиронинов

иактивных форм витаминов D (кальцитриол) и А (ретиноат) постоянно находятся в ядре клетки (рецепторы-резиденты). Свободному гормону приходится проникать не только в клетку, но и в ядро и взаимодействовать с соответствующим ГРЭ ДНК.

Однако липофильные гормоны обладают не только поздними геномными эффектами, но и краткосрочными (их часто называют быстрыми), возникающими за секунды или несколько минут (менее 10): действие альдостерона на лимфоциты и сосуды, ГКС и нейростероидов на нейроны, прогестерона – на яичники и сперматозоиды, эстрогенов на сосуды

ифункции головного мозга (эмоциональные реакции, познание).

Другой важный механизм действия этих гормонов – ацетилирование гистонов, что ремоделирует хроматин, освобождает матрицу, делает ее активной, готовой для транскрипции.

Вторая группа гормонов (гидрофильных) взаимодействует с рецептором на наружной стороне плазматической мембраны, в этом случае гормону для проявления активности не надо проникать в клетку.

Во втором механизме различают: а) быстрые системы, сопряженные с ионными каналами; б) медленные системы, включающие вторые посредники и (или) протеинкиназы.

4. 2. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ МЕДИАТОРОВ

Их эффекты опосредуются через быстрые системы, передающих нервный импульс за мс. Такую скорость может обеспечить только открытие ионных каналов, приводящее к быстрому движению ионов от высоких концентраций к низким (вход Na+и Сl- в клетку).

В состоянии покоя закрыты любые каналы и на плазматической мембране снаружи плюс, а на внутренней стороне минус. При действии возбуждающей аминокислоты глутамата через его ионотропные рецепторы и АХ через N-холинорецепторы открываются быстрые Na+-каналы, что приводит к деполяризации мембраны и в результате клетка переходит в состояние возбуждения. Через рецепторы глутамата входят и ионы Са2+. Процесс возбуждения необходим для всех основных функций мозга: психологической и физической активности, целесообразного поведения, обучения, памяти, восприятия чувствительных и болевых импульсов.

12

Наоборот, ГАМК (тормозной медиатор головного мозга) и глицин (тормозной медиатор спинного мозга), взаимодействуя с рецепторами, открывают Сl--каналы, что приводит к гиперполяризации, и в результате возникает торможение клетки. Оно столь же необходимо для всех функций клетки, как и возбуждение. По сути, самое главное – это баланс возбуждающих и тормозящих нейротрансмиттеров (при бодрствовании преобладают первые, при сне – вторые).

При эпилепсии происходит сдвиг к преобладанию глутамата, что приводит к судорогам. Большинство противоэпилептических лекарств с разными механизмами действия так или иначе стимулируют систему ГАМК. Активация синтеза ГАМК (вальпроат) восстанавливает баланс и тоже дает противосудорожный эффект. При нарушении кровоснабжения головного мозга (инсульт) глутамата выделяется много с последующей аккумуляцией ионов Са2+ – важный механизм повреждения и даже гибели нейронов. Человек может стать инвалидом из-за ухудшения интеллекта, нарушения речи и плохой работы конечностей. В эксперименте введение блокаторов рецепторов глутамата или агонистов рецепторов аденозина, ГАМК и альфа2- адренорецепторов дает защитный эффект. При попадании в рану возбудителя столбняка он вырабатывает токсин, который выключает рецепторы ГАМК. Она не может работать и тогда возбуждающие нейротрансмиттеры, не встречая противодействия, вызывают перевозбуждение, что приводит к появлению судорог, а иногда и к смерти. Судороги при отравлении стрихнином, блокирующим рецептор глицина, тоже возникают от нарушения баланса в сторону преобладания эффектов возбуждающих медиаторов.

На ГАМКА-рецепторы действуют три группы веществ, которые тормозят головой мозг, увеличивая действие эндогенной ГАМК: 1. барбитураты – средства для неингаляционного наркоза и снотворные; 2. бензодиазепины – транквилизаторы (успокаивающие); 3. нейростероиды, которые синтезируются в нейронах или являются метаболитами прогестерона, гормона желтого тела и плаценты.

Из-за дефицита ПГС за две недели до менструаций развивается предменструальный синдром. У женщин появляется депрессия, неустойчивость настроения. Когда формируется желтое тело, начинает вырабатываться прогестерон, все приходит к норме. При беременности резко увеличивается количество прогестерона и его метаболитов, что, вероятно, и вызывает у женщин самоуглубленность и некоторую заторможенность. Все три группы веществ увеличивают действие эндогенной ГАМК, и вход в клетки Сl- через рецепторы возрастает, что приводит к торможению активности головного мозга.

13

Впоследние годы доказано, что нервные импульсы и нейромедиаторы через ПК и ТФ регулируют и геномные процессы. С другой стороны, три типа ионотропных рецепторов глутамата функционируют и в ненервных тканях (кость, кожа, поджелудочная железа), где глутамат работает как тканевой гормон.

Нейромедиаторы действуют не только через ионотропные, но и через метаботропные рецепторы, которые реализуют не быстрые медиаторные, а медленные модуляторные эффекты.

4.3.СИСТЕМЫ ВТОРЫХ ПОСРЕДНИКОВ И ПРОТЕИНКИНАЗ

В60-е годы Э. Сазерленд сформулировал концепцию вторых посредников в действии ряда гормонов. Первый посредник – это гормон, он

передает сигнал между клетками, а второй посредник – это нуклеотиды (цАМФ, цГМФ), метаболиты липидов (ИФ3, ДАГ, ФИФ2 и ФИФ3) или Са2+, которые передают сигнал внутри клетки. Процессов, которые регулируются вторыми посредниками так много, что их надо систематизировать. Прежде всего выделяют:

1. Внутриклеточные эффекты

2. Передача меж- и внеклеточных сигналов

Всвою очередь, внутриклеточные эффекты подразделяют на универсальные и специализированные. К универсальным эффектам относят: изменение проницаемости мембран, модификация и изменение активности белков, воздействие на матричные синтезы, деление и дифференцировка клеток, апоптоз.

Специализированные эффекты – это те, которые реализуются в определенных клетках. Например, возбудимость – это прежде всего свойство нейронов, затем мышечных клеток; сократимость – свойство всех видов мышц; секреция – свойство желез и одиночных клеток, способных к секреции; иммунные реакции свойственны прежде всего лимфоцитам, и наконец, для тромбоцитов характерно явление агрегации.

Внутриклеточные эффекты реализуются во всех живых организмах – от бактерий до любой клетки организма. Но с момента, когда организм стал многоклеточным, появилась необходимость в межклеточных сигналах.

Передача меж- и внеклеточных сигналов может осуществляться не только гормонами, но и другими веществами, например, клетки реагируют на глюкозу, тромбин или белки матрикса, на взаимодействие с другими клетками. Если клетка крови (нейтрофил или тромбоцит) контактирует с клетками эндотелия или сперматозоид с яйцеклеткой, то через особые рецепторы включается система вторых посредников. И, наконец, внешние сигналы: свет, запах, вкус, – также действуют через системы вторых

14

посредников, т.е. можно сделать вывод, что гормоны – это очень важный, но не единственный случай меж- и внеклеточных сигналов.

Системы вторых посредников и протеинкиназ являются каскадными механизмами усиления сигнала. Если концентрация гормонов 10-15–10-8М, то вторых посредников – 10-7–10-6 М, а субстратов, метаболитов, ионов – 10-4– 10-3 М, т.е. общее усиление достигает 105–1011 раз.

Протеинкиназы – ферменты, фосфорилирующие белки в большинстве случаев по серину и треонину. Дефосфорилирование белков катализируют

протеинфосфатазы.

Белок + АТФ→ Белок-Р + АДФ; Белок-Р + Н2О→ Белок + Н3РО4.

ПК регулируют почти все внутриклеточные процессы и являются важными компонентами каскадного усиления сигнала. Особенно важны ПК в координации комплексных функций – таких, как пути метаболизма, клеточный цикл, морфогенез и другие геномные процессы. Субстратами ПК являются ферменты, ионные каналы, факторы трансляции, ТФ, структурные и другие белки. Фосфорилирование белков – наиболее универсальный механизм их посттрансляционной модификации и изменения активности.

G-белки (ГТФ-зависимые). Важность этого компонента СТС доказывается тем, что мутации в их генах вызывают болезни. Известны мутации, делающие Gs-белок конститутивно активным: в яичниках это приводит к преждевременному половому развитию, в других случаях – к опухоли СТГ-секретирующих клеток и акромегалии, опухоли клеток Лейдига или гипертиреоидной аденоме.

Эти эффекты называют медленными, они реализуются за секундыминуты.

Различают три главные системы вторых посредников.

1.Система цАМФ

Через эту систему действуют целые классы гормонов: амины и их производные, пептиды и белки, а также ПГ I2 и Е2; помимо гормонов – запах и вкус, т.е. типичные внешние сигналы, которые воспринимаются не гормональными рецепторами, а рецепторами органов чувств. Гормон на наружной стороне мембраны связывается со своим рецептором, который сопряжен с G-белком, его также называют трансдуктором (преобразователем). Дальше сигнал передается на эффекторный белок аденилилциклазу (АЦ), расположенную на внутренней стороне мембраны. Она активируется и катализирует образование цАМФ из АТФ, при этом от АТФ отщепляется пирофосфат, а остающийся фосфат замыкается в кольцо, отсюда название цикло-АМФ.

АТФ → цАМФ + Н4Р2О7.

15

Это реакция образования второго посредника, за открытие которого американский биохимик Сазерленд в 1971 году был удостоен Нобелевской премии (рис.1).

Далее цАМФ активирует фермент, который называется протеинкиназа А (ПКА). Она фосфорилирует белки. Активность фосфорилированного белка меняется: либо увеличивается, либо уменьшается. Возвращение белка в исходное состояние происходит при участии ферментов протеинфосфатаз. ПКА устроена сложно, она состоит из регуляторных и каталитических субъединиц, и при этом регуляторные субъединицы угнетают каталитические. При действии цАМФ фермент диссоциирует, поэтому каталитические субъединицы растормаживаются и фосфорилируют эффекторные белки, меняя их активность (например, при фосфорилировании возрастает активность киназы фосфорилазы – ключевого фермента распада гликогена; другие примеры: активация триглицеридлипазы

– фермента распада жиров, активация тирозингидроксилазы – фермента синтеза КА, стимулируется и синтез стероидных гормонов. Есть основания называть цАМФ сигналом голода и стресса, т.к. распад гликогена, жиров, накопление гормонов в первую очередь нужны в этих условиях. С другой стороны, фосфорилирование не всегда приводит к активации, например, синтез гликогена не нужен при стрессе, и он тормозится (инактивируется фермент синтеза гликогена гликогенсинтаза). В последнее время обнаружено, что эффекты цАМФ гораздо шире: он регулирует транспорт Сl- (с нарушением этого связана самая частая наследственная болезнь – муковисцидоз), реализует расслабление гладких мышц, дезагрегацию тромбоцитов, секрецию Н+ в желудке, бикарбоната и воды в дуоденуме, ингибирование пролиферации лимфоцитов, воспаления и иммунитета, обучение.

Эта система необходима для того, чтобы клетки набирали достаточную массу, необходимую для последующего митоза или передачи сигналов в ядро, также цАМФ тормозит воспалительные реакции.

Свободная каталитическая субъединица ПКА проникает в ядро, где она фосфорилирует ядерный ТФ, он связывается с регуляторным участком ДНК, присутствующим в цАМФ-чувствительных генах и стимулирует транскрипцию. В результате система цАМФ регулирует такие геномные процессы, как экспрессия генов, развитие эндокринных клеток, синтез КА, гипофизарных и стероидных гормонов, адаптация, память и обучение, ремоделирование сосудов, сердца и кости, сперматогенез. Нокаут регуляторной субъединицы ПКА вызывает раннюю эмбриональную смертность.

16

Активность ПКА увеличивается в печени при гепатэктомии и особенно при раке толстой кишки. При раке происходит сверхэкспрессия регуляторной субъединицы ПКА.

Амины, пептиды, белки, ПГ I2 и Е2, запах, вкус увеличивают концентрацию цАМФ. А такие гормоны как КА (через α2- рецепторы), дофамин (D2-рецепторы), ГАМК (ГАМКВ-рецепторы), аденозин (А1- рецепторы), опиоиды, соматостатин, снижают количество цАМФ. Это достигается тем, что первая группа гормонов вовлекает в работу Gs– стимулирующий G-белок. Наоборот, вторая группа гормонов действует через белок Gi (ингибирующий), который тормозит АЦ и снижает концентрацию цАМФ. Т.о., регуляция АЦ является двойственной, в результате концентрация цАМФ может как увеличиваться, так и снижаться. Некоторые бактериальные токсины используют эти механизмы.

Рис. 1. Система цАМФ.

Холерный вибрион выделяет сильный токсин, который в энтероцитах кишечника взаимодействует с Gs-белком и необратимо его активирует без

17

участия гормонов, в результате необратимо активируется АЦ, т.е. она начинает работать безостановочно, нарабатывая слишком много цАМФ. Это приводит к накоплению в просвете кишечника солей и воды и вызывает понос (при холере стул может быть до 20–30 раз в сутки). В результате возникает сильное обезвоживание и обессоливание организма, опасное для жизни. Так, паразитируя на нашем регуляторном механизме, холерные вибрионы могут убить человека. Коклюшный токсин действует иначе: связывается с Gi-белком и инактивирует его, вызывая накопление цАМФ. Холерный и коклюшный токсины нарушают регуляцию АЦ вследствие АДФ-рибозилирования G-белков. Коклюшный и сибиреязвенный токсины содержат растворимую АЦ (фактор отека), образуемый ею цАМФ может вызывать интоксикацию.

цАМФ разрушается при действии фермента ФДЭ, который переводит 3′,5′-АМФ в 5′-АМФ. Ингибиторы ФДЭ вызывают накопление цАМФ. Таким образом действуют некоторые негликозидные кардиотоники (милренон). Цилостазол – новое антитромбическое, сосудорасширяющее, антимитогенное и кардиотоническое средство. Бронхиальная астма – заболевание, при котором возникают бронхоспазмы и приступы удушья, что может привести к смерти Ингибиторы ФДЭ цикло- и пикламиласт расслабляют бронхи и, кроме того, обладают противовоспалительным действием. Они полезны и при хронической обструктивной болезни легких и ревматоидном артрите.

2. Система цГМФ

Фермент гуанилилциклаза (ГЦ) из ГТФ образует цГМФ, а ФДЭ цГМФ превращает его в 5′-ГМФ. Натрийуретические факторы (НУФ предсердный, «мозговой», эндотелиальный), почечный уродилатин, кишечный гуанилин и урогуанилин (эти пептиды регулируют водный и ионный гомеостаз в почках, ЖКТ, легких, активируя натрий и диурез и снижая артериальное давление), через свои рецепторы активируют мембранную ГЦ.

Отличия от первой системы: активация немногими гормонами, нет G- белка. цГМФ активирует ПКG , которая фосфорилирует некоторые белки и вызывает эффекты. Помимо мембранной ГЦ, есть растворимая, содержащая гем, ГЦ в гиалоплазме клетки. Активируется она монооксидами NO•, СО и

•ОН, – все они содержат один атом кислорода. NO• и •ОН – свободные радикалы, они не заряжены и имеют свободную валентность. Наиболее важен NO•, в организме он образуется из аргинина при действии фермента NO•-синтазы. Активность этого фермента регулируется рядом гормонов. АХ расширяет сосуды, потому что в эндотелии сосудов образуется NO•. В нейронах накопление NO• вызывается глутаматом. И, наконец, цитокины, например, интерфероны в макрофагах, тоже активируют эту систему. NO• особый регулятор: он возникает при действии гормонов, но это не обычный

18

второй посредник, так как действует не только внутри-, но и межклеточно, как гормон. Последнее связано с тем, что NO• – липофильный газ, легко выходящий через плазматическую мембрану. Однако от обычных межклеточных регуляторов он отличается отсутствием как депонирования в образующей его клетке, так и тем, что действует на все окружающие клетки, поэтому его называют объемным регулятором. Низкие физиологические концентрации NO• активируют растворимую ГЦ, она синтезирует цГМФ, который стимулирует ПКG. Это снижает уровень Са2+ во всех клетках и уменьшает его эффекты. В нейронах цГМФ способствует возникновению нервного импульса и запоминанию; дезагрегирует тромбоциты, гладкие мышцы расслабляет, в результате снижается артериальное давление, а кровоток увеличивается; участвует в защите от гипертонии, гипертрофии миокарда, атеросклероза и сосудистых повреждений, защищает эндотелий, снижает пролиферацию и миграцию гладкомышечных клеток, обладает антисклеротическими свойствами. В клинике для лечения стенокардии широко применяют органические нитраты (нитроглицерин, изосорбит, динитрат), при метаболизме которых освобождается NO•. Это стимулирует образование цГМФ, вызывающего расслабление сосудов и улучшающего кровоток. Ингибиторы цГМФ ФДЭ силденафил (Виагра) и др. вызывают эрекцию мужского полового члена.

Высокие концентрации NO• токсичны для клетки. Макрофаги используют это биохимическое оружие (наряду с активными формами кислорода) для убиения микробов, малярийного плазмодия, грибков, раковых клеток. При ишемии мозга происходит накопление глутамата и затем NO•, ведущее к гибели нейронов.

Впатологии термостабильный эндотоксин кишечной палочки в результате активации ГЦ кишечника резко увеличивает секрецию, что приводит к секреторной диарее.

Втемноте цГМФ присоединен к ионным каналам и держит их открытыми, по ним поступают Na+ и Са2+, возникает явление деполяризации. При воздействии кванта света цис-ретиналь в составе родопсина, переходит

втранс-ретиналь, затем происходит гидролиз белка на опсин и транс-

ретиналь. Он взаимодействует с мембранным Gt-белком (трансдуцином), в результате чего активируется фермент ФДЭ, переводящая цГМФ в 5′-ГМФ, что приводит к закрытию каналов. Ионы Na+ и Са2+ выкачиваются соответствующими АТФазами, наступает явление ре(гипер)поляризации,

приводящее к возникновению импульса тока, что воспринимается как свет. цГМФ открывает Nа+ каналы в сетчатке, цАМФ в обонятельном эпителии (оба действуют без ПК).

19

3.Фосфатидилинозитольные системы

Многие гормоны (амины, пептиды, белки, ПГ F2, ТХА2, лейкотриены) через Gq-белок включают систему ФИ. Здесь работают липидкиназы (вводят фосфат в 4 и 5 положение инозитола с образованием ФИФ2) и ФИ-3К (фосфорилируют 3 положение с образованием ФИФ3). Липидкиназы отличаются от ПК не только субстратом, но и тем, что образуют вторые посредники, а не реализуют их действие.. Затем ФИФ2 гидролизуется ФЛС с образованием двух ВП: ИФ3 и ДАГ (рис. 2). ИФ3 мобилизует Са2+ из ЭПР и увеличивает поступление в цитозоль Са2+ через медленные кальциевые каналы. Ионы кальция служат важнейшим регулятором таких процессов, как активность многих ферментов, мышечное сокращение, секреция желез, возбудимость мембран, агрегация тромбоцитов. Он является также внутриклеточным посредником ряда гормонов. В состоянии покоя внутри клетки ионы Са2+ находятся в концентрации 10-7 М, в ЭПР – 3х10-5 М, снаружи клетки Са2+ – 10-3 М. При активации концентрация ионов Са2+внутри клетки достигает 10-6–10-5 М. При мобилизации Са2+ под действием ИФ3 он связывается со своим рецепторным белком кальмодулином. Комплекс Са2+/КМ активирует многие цитозольные ферменты либо прямо, либо через КМПК. Для более продолжительного действия необходим либо вход Са2+ в клетку, ибо торможение его выхода, осуществляемого Са2+-АТФазой.

Ионы Са2+ – один из наиболее гибких и универсальных вторых посредников. Он необходим для элементарных событий (возбудимость мембран, митоз, синаптическая пластичность, освобождение гормонов), внутриклеточных (фертилизация, регуляция метаболизма, сокращение мышц, транскрипция генов, пролиферация) и межклеточных (функционирование эндотелия и сосудов, желез, мозга) и активирует многие ферменты (киназы, фосфатазы, фосфлипаза А2, некоторые протеазы, ферменты митохондрий и обмена циклонуклеотидов) и структурные белки клетки. Комплекс Са2+/КМ проникает в ядро и активирует ядерную КМПК, в результате происходит транскрипция многих генов, стимуляция митоза, ангиогенеза, модуляция воспаления, иммунитета и других геномных процессов. Са2+ стимулирует все виды клеток, при этом он обеспечивает сопряжение мышечного сокращения с его энергетическим обеспечением, деление клеток с транскрипцией генов.

цАМФ и Са2+ работают одинаково при регуляции активности некоторых ферментов обмена гликогена, стимуляции работы сердца, матричных синтезов. Поразному в гладких мышцах: Са2+ вызывает сокращение, цАМФ – расслабление; в тромбоцитах Са2+ способствует агрегации, цАМФ – дезагрегации. При назначении ингибиторов медленных Са2+ каналов, снижающих уровень Са2+ в гиалоплазме, происходит

20