Биохимия Р.Марри

150

I

Дпинная петпя

I

I

/

,/

.,,"

Орган·мишень

Рис. 43.1. Пример системы регуляции по типу отрицатель­

ной обратной связи. Такая система регулирует функцию

щитовидной железы, надпочечников, яичников и семенни-

ков.

нечные продукты действия гормонов.

Различные патофизиологические события - шок, травма, гипогликемия. боль и стресс-оказывают влияние на систему гипоталамус-гипофиз, воздей­ ствуя через высшие нервные центры. В этих условиях происходят глубокие изменения метаболизма кате­ холаминов и гормона роста, функции коры надпо­

чечников, щитовидной железы и гонад, но до сих пор

остается неясным, какие именно компоненты вовле­

чены в цепи этих реакций.

При нарушении механизмов регуляции, обуслов­

на уровне гипоталамуса. Особенность именно этой

системы состоит в том, что и гормон гипофиза мо­

жет ее блокировать по короткой петле обратной

связи, ингибируя свой собственный синтез. Такая то­

ническая система обеспечивает тончайшую регуля­

цию уровня гормона в плазме крови; из этого приме­

ра видно также, что уровень одного гормона опреде­

ляется системой из нескольких гормонов и несколь­

ких тканей-мишеней. Такие же петли обратной связи

описаны в системах регуляции надпочечников. щи­

товидной железы, семенников и яичников.

В других случаях отрицательная обратная связь

осуществляется с помошью отдельных метаболитов

или субстратов, концентрация которых в плазме

крови меняется при воздействии гормона на ткань­

мишень. Например, увеличение концентрации глю­ козы в крови (гипергликемия) вызывает измеряемое высвобождение инсулина, который усиливает потре­ бление и утилизацию глюкозы в ряде тканей; в ре­

зультате уровень глюкозы в крови возвращается

к норме, что в свою ()чередь снижает секрецию ИНСУ­

лина: При некоторых патологических состояниях от­

ветная секреция инсулина может быть избыточной и это приводит К гипогликемии. Физиологическим

ответом на это угрожающее жизни состояние служит

выброс катехоламинов, гормона роста, глюкагона. АКТГ, вазопрессина и антигиотензина П: все эти

РЕЦЕПТОРЫ ГОРМОНОВ

Общая характеристика рецепторов

Одна из трудноразрешимых проблем, с которой

встречались исследователи при описании системы

коммуникации, основанной на использовании гор­ монов, представлена на рис. 43.2. Во внеклеточной

жидкости гормоны присутствуют В очень низкой

концентрации-обычно в пределах 10- IS-IO- 19

моль/л. Это намного ниже содержания других,

структурно сходных соединений (стеролов, аминоки­ слот, пептидов, белков) и иных веществ, которые на­

ходятся в крови в концентрации 10- s-10- 3 моль/л. Следовательно, клетки-мишени должны отличать

данный гормон не только от других гормонов, при­

сутствующих в малых количествах, но и от прочих

соединений, присутствующих в 10б-l09-кратном ко­ личестве. Столь высокую степень избирательности обеспечивают особые принадлежащие клетке моле­

кулы узнавания, называемые рецепторами. Биологи­

ческий эффект гормонов начинается с их связывания со спеuифическими рецепторами, а завершается, как

правило, диссоциацией гормона и рецептора (в соот­

ветствии с тем принципом, что надежная система

контроля должна обладать средством прерывания

действия агента).

Клетку-мишень определяют по способности избирательно связывать данный гормон с помощью

такого рецептора, причем для количественной оцен­ ки взаимодействия используют радиоактивные ли­ ганды, имитирующие связывание гормонов. Иссле­

дование проводится с соблюдением следующих пра· вил: 1) введение радиоактивной метки не должно ме·

нять биологической активности лиганда; 2) связыва­

ние лиганда должно быть специфическим, т. е. до­ бавление немеченого агониста или антагониста дол·

жно вытеснять метку; 3) связывание должно быть насыщаемо; 4) связывание должно происходить

в тех же пределах конuентраций, что и предполагае­

мый биологический ответ.

Домены узнавания и сопряжения

на рецепторе

Все рецепторы, будь то рецепторы стероидов или

полипептидов, имеют по крайней мере два функцио­

нально разных домена (участка): первый домен (до­

мен узнавания) связывает гормон, а второй генери­

рует сигнал, который сопрягает узнавание гормона

ний она колеблется от О до 1. Абсолютные же вели­ чины степени сродства (аффинности) могут различать­ ся более чем в триллион раз. Для некоторых ре­

цепторов были синтезированы лиганды с относи­

тельной К > 1; их используют в исследованиях био­

логии рецепторов.

Сопряжение (трансдукция сигнала) обеспечивает­

ся двумя основными механизмами. Полипептид­ ные и белковые гормоны и катехоламины связывают­

ся с рецепторами, расположенными в плазматиче­

ской мембране, и тем самым генерируют сигнал, ко­

торый регулирует различные клеточные функции­ обычно путем изменения активности ферментов. Стероидные и тиреоидные гормоны взаимодей­ ствуют с внутриклеточными рецепторами, и образо­

вавшийся комплекс генерирует соответствующий сигнал (см. ниже).

у многих рецепторов полипептидных гормонов

были идентифицированы аминокислотные последо­

вательности этих двух доменов. Используя аналоги гормона, несущие замену той или иной специфиче­ ской аминокислоты, можно изменить его связывание

и биологическую активность. Рецепторы стероидных гормонов тоже обладают по крайней мере двумя

И!vfешlO сопряжение между связыванием гормона

и передачей (трансдукцией) сигнала-так называе­ мое рецепторно-эффекторное сопряжение - служит пеРВЫ!\l[ "Этапом усиления ответа на гормон Указан­ ная двойная функция рецептора клетки-мишени со­ ставляет основное отличие его от белков­

переносчиков плазмы. ко ropbIe связывают гормон,

но Ht: генериrуют сигнал.

Сравнеllие рецепторных и транспортных бе~lКОВ

Существует принципиальная разница между

связыванием гормонов с рецепторами и их ассоциа­

пией с различными транспортными белками (пере­

носчиками). Соответствующее сопоставление сдела­

но в табл. 43.1. Количество молекул рецептора, уча­

ствующих в связывании лиганда, составляет несколь­

ко тысяч на клетку, а само связывание характери­

зуется высокой аффинностью и спеuифичностью. Ре­

цепторы способны к узнаванию и селекции специфи­

ческих соединений в условиях градиента концентра­

ций 106-107; при физиологических конuентрациях

rOPMOHi:l это связывание с рецепторами насыщаемо.

Гормон-рец~пторное взаимодействие зависит от температуры, рН и концентраций солей xaraKTep-

ным для каждого гормона образом. Связывание

определяется гидрофобным и электростатическим ме­

хаНИJмами и потому легко обратимо. за исключе­ нием некоторых особых случаев.

В кровотоке стеrоидные и тиреоидные гормоны находятся в виде комплекса со специфическими

транспортными белками. Такие белки значительно преобладают по количеству над внутриклеточными рецепторными белками, но обладают меньшей аф-

финностью И меньшей специфичностью связывания гормонов. Транспортные белки создают резервуар

гормонов в крови, ПОСКО:IЬКУ в связанном виде по­

следние не подвергаются метаболизму и .экскреции.

Биологическая активность присуща только несвя­ занному (свободному) гормону. Пептидные и белко­

вые гормоны не имеют специальных транспортных

белков в плазме крови, и поэтому полупериод их жи­ зни в крови намного меньше (секунды или минуты),

чем у стероилных гормонов (часы).

Взаимосвязь между степенью занятости рецепторов и биологическим эффектом

Во многих случаях концентрация гормона. при которой он занимает (оккупирует) рецептоrы, прак­ тически совпадает с той. при которой он вызывает биологический ответ (рис. 43.3, А). Это справедливо

в отношении всех стероидных гормонов и ряда пеп­

тидных. Сам по себе данный факт удивителен. осо­ бенно если учесть количество этапов, разделяющих

проuесс связывания гормона и комплексный ответ

на него, например индукцию фермента. лизис клетки

или гранспорт аминокислот. Но в некоторых слу­

чаях имеет место выраженная диссоциация этих двух

проuессов; максимальный биологический ответ на­

ступает в условиях, когда занято ЛИlllЬ несколько

процентов от общего количества рецепторов (рис. 43.3,Б. эффект 2). Реuепторы. не участвующие в ин­

дукции биологического ответа, называют резервны­

ми.

Резервные рецепторы были выявлены при изуче­

нии ответа на некоторые полипептидные гормоны;

полагают, что они служат как средством увеличения

чувствительности клетки-мишени к низким концен­

трациям гормона, так и резервуаром рецеп горов.

Представление о резервных рецепторах относится к категории рабочих гипотез; оно может коррек ги­

роваться в зависимости от того. какой аспект дей­ ствия гормона и на какой ткани подвергается изуче­

нию. Например, на клетках гранулезы получено пре­

красное совпадение между связыванием гормона

и синтезом сАМР (когда какие-либо гормоны акти­

вируют аденилатциклазу. резервных рецепторов, как

правило, не обнаруживается); в то же время стерои­ догенез в этих клетках (cAMP-зависимый процесс)

имеет мес ro уже в условиях, когда занято менее 1%

рецепторов (см. эффекты 1 и 2, рис. 43.3. Б). Для того чтобы в клетках печени произошла дерепрессия транскрипции гена фосфоенолпируваткиназы, доста­ точно, чтобы было занято существенно менее 1% ре­

цепторов инсулина; с другой стороны, на тимоцитах

обнаружена высокая степень корреляции между

связыванием инсулина и транспортом аминокислот.

Примерами диссоциации между уровнем связыва­

ния рецепторов и выраженностью биологического

'*'

Действия гормона. Обнаружено, что одна и та же

клетка проявляет разную чувствительность к гормо­

ну в зависимости от того, о каком эффекте гормона

идет речь. Так, в адипоцитах по мере нарастания за­ нятости рецепторов инсулина происходит (последо­ вательно) активация липолиза, окисления r люкозы,

транспорта аминокислот и синтеза белка.

Регуляция рецепторов

Количество рецепторов в клетке или на ее по­

верхности находится в динамическом состоянии: оно

регулируется физиологически и изменяется при забо­

леваниях или под влиянием терапевтических

средств. Лучше изучены в этом отношении рецепто­

ры, локализованные в плазматической мембране. Показано, что их концентрация и сродство к гормо­

ну (аффинность) являются регулируемыми параме­ трами. Изменение этих параметров происходит

очень быстро и существенным образом сказывается на чувствительности клетки к гормону. Например,

вклетках, подвергнутых воздействию ~­

адренергических агонистов, в течение некоторого

времени (от нескольких минут до часов) в о rBeT на

новое добавление агониста прекращается активаuия

аденилатuиклазы и исчезает биологический ответ. Такая десеНCIIтизаЦНR опосредуется двумя механиз­

мами. Первый включает утрату рецепторов плазма­

тической мембраной. Эта поиижающаи регуляция осу­

ществляется путем секвестирования (связывания) ре­

цепторов в клетке, т. е. отделения их от других ком­

понентов системы клеточного ответа. в частности от

ствительность к гормону восстанавливается. Второй

механизм десенситизации ~-адренергической систе­ мы- ковалентная модификзuия рецепторов путем

фосфорилирования. Это сАМР-зависимый процесс,

который не сопряжен с изменением числа рецепто­

ров и их перемещением. Как показали опыты по ре­

конструкции мембран (включение рецепторов в мем­ браны, предварительно лишенные рецепторов), фо­ сфорилированные рецепторы не способны активиро­ вать циклазу, что ведет к разобщению связывания гормона и активации клетки. Аналогичные примеры физиологической адаптации, осуществляемой путем

понижающей регуляции количества рецепторов го­

мологичным гормоном. можно наблюдать в случае

инсулина, глюкагона. ТРГ. гормона роста. лг. Фес катехоламинов. Некоторые гормоны (ангиотензин

II и пролактин) осуществляют повышающую реl'У.fJЯ­ цию своих рецепторов. Эти изменения количества ре­ цепторов могут происходить очень быстро (за

время, измеряемое минутами или часами). и. по­

видимому, они служат важным средством регуляции

биологического ответа. Эффект частичной утраты рецепторов на биологический ответ, вызьшас~ый

'{анной концентрацией гормона. определяется нали­

чием или отсутствием резервных рецепторов. На рис. 43.4 показзно, как ВЛИЯС1 5-кратнос снижение

количества рецепторов на кривую «концентрация­

ответ» в зависимости от этого условия. В случае

А (резервные рецепторы отсутсrвуют) величина от­

вета достигает лишь 20% от контроля: следователь­

но, происходит изменение V • В случае Б (резерв-

max

Структура рецепторов

Лучше других изучен ацетилхолиновый рецеп­ тор, который легко получить в очищенном виде, так

как он содержится в относительно большом количе­ стве в электрическом органе угря Torpedo californica.

Этот рецептор состоит из четырех суъединиц а2, ~, У и С_ Две u-субъединицы связывают ацетилхолин.

Методом направленного мутагенеза были выявлены те области u-субъединицы, которые участвуют в образовании трансмембранного ионного канала, осуществляющего главную функцию рецептора аце­

тилхолина.

Содержание других рецепторов очень мало, и это

препятствовало проведению их очистки и анализа.

В настоящее время методы генной инженерии позво­

ляют получать необходимое количество материала,

ности к ряду пептидаз и протеолитических фермен­

тов, полагают, что они имеют общий белковый ком­

понент. Во многих случаях для связывания гормона

необходимы, по-видимому. интактные дисульфид­ ные связи, фосфолипид и углеводные компоненты.

Рецепторы стероидных гормонов тоже являются

белками. На протяжении последних лет была изуче­ на их функция. а теперь начинает выясняться

и структура. Рассмотрим в качестве примера рецеп­

тор глюкокортикоидов (рис. 43.2). Он содержит три функционально разные области: 1) участок связыва­ ния гормонов, расположенный в С-концевой части полипептидной цепи: 2) прилегающий к нему уча­ сток связывания ДНК; 3) специфическая область N- концевой половины белковой молекулы. необходи­ мая для высокоаффинного связывания с соответ­ ствующим участком ДНК (и содержащая большую

диницы соединены множественными дисульфидны­ ми связями; выступающая из мембраны а­

субъединица связывает инсулин, а пронизывающая мембрану ~-субъединица обеспечивает передачу сиг­

нала, вероятно, при участии тирозинкиназы, состав­

ляющей цитоплазматическую часть этого полипеп­ тида. Рецепторы инсулиноподобного фактора роста

ных с использованием ДНК. Видимо, такая структу­

ра в принципе свойственна разным типам рецепто­ ров стероидных гормонов: при этом наблюдается

высокая степень гомологии в последовательности

аминокислот соответствующих участков. Очень лю­ бопытна также гомология между этим типом рецеп­ торов и v-егЬА-онкогеном.

Концепция агониста- антагониста

Химические соединения гормональной природы

можно разделить на четыре группы в зависимости

от способности вызывать биологический ответ,

опосредованный рецептором данного гормона: аго­

к агонистам относят соединения, способные вы­

звать максимальный ответ, однако необходимые для этого концентрации могут быть различны (рис.

43.5 и пример А на рис. 43.6). На рис 43.5 цифры 1, 2 и 3 можно отнести к инсулину свиньи, проинсулину

свиньи И инсулину морской свинки соответственно.

нисты, частичные агонисты, антагонисты и неактив­

ные соединения. Эта классификация была очень под­ робно разработана применительно к rлюкокорти­ коидам (см. гл. 48).

100

со

1- cv

са

1-

О

О

L.

О

Ж

А

Во всех проверенных системах эти препараты инсу­

лина вызывали примерно одинаковый по силе ответ,

но при собственной для каждого из инсулинов кон­ центрации. Аналогичным образом цифры 1, 2, 3 на

А

Б

Б+В

центрации (см. рис. 43.6, Б). Антагонисты обычно не

оказывают эффекта сами по себе, но полностью ин­

гибируют действие агонистов и частичных агони­

стов (см. примеры А + В и Б + В на рис. 43.6). Боль­

шая группа соединений. структурно сходных с гор­

монами, не обладает собственным эффектом и не

влияет на действие агонистов и антагонистов. Их от­ носят к категории неактивных веществ (рис. 43.6, N.

Частичные агонисты нередко конкурируют с аго­

нистами за связывание с рецептором (и активацию

его), и в этих случаях они становятся частичными ан­

тагонистами. Степень торможения активности аго­

ниста. вызываемая частичными или полными анта­

гонистами. зависит от соотношения концентраций соответствующих стероидов. Как правило, антаго­

нист вызывает торможение в концентрации намного

большей, чем та. в которой агонист оказывает мак­ симальный эффект. Столь высокие концентрации

крайне редко возникают in vitro, однако этот фено­

мен широко используется для исследования глюко­

кортикоидных гормонов В условиях in vitro.

В табл. 48.4 перечислены стероиды, использован­

ные в исследованиях. на основании которых впервые

было высказано предположение о двойной функции

глюкокортикоидного рецептора. а именно связыва­

ние лиганда и- через обусловленное этим измене­

ние структуры- связывание с ДИК. ИЗ этой гипоте­

зы следовало, что 1) агонисты связываются с рецеп-

10РОМ. полностью его активируют и вызывают мак­

симальный биологический ответ; 2) частичные аго­

нисrы полностью занимают рецептор. но не полно­

стью его активируют и потому вызывают частичный биологический ответ; 3) антагонисты полностью за­ нимают рецептор, но образовавшийся комплекс не способен связываться с ДИК и потому непосред­ ственно не вызывает биологического ответа. однако

эффект агонистов при этом блокируется.

После того как была выяснена роль рецепторов

в действии гормонов, стало очевидно. что наруше­

ние функции рецепторов может лежать в основе ряда заболеваний. В табл. 43.2 приведены три основные категории таких заболеваний. Первая группа охва­ тывает случаи патологии, обусловленные появле­

нием антител Пр01 ив рецепторов определенных гор­

монов. Эти антитела (класса IgG) могут блокиро­

вать связывание гормона (папиллярно-пигментная

дистрофия кожи с инсулинорезистентностью; аст­ ма), имитировать связывание гормона (болезнь Грейвса) или повышать скорость оборота рецептора

(тяжелая миастения).

Ко второй группе отнесены болезни, при которых

не выявляется связывание гормона с рецептором.

Действительно ли рецепторы в этих случаях отсут-

независимый са­ xapHый диабет (инед)]

ствуют или же они не выявляются из-за дефектов

структуры, остается неизвестным, поскольку сам анализ рецепторов основан, как правило. на опреде­

лении их связывания с гормонами.

Третья категория-это заболевания, обуслов­ ленные нарушением регуляции рецепторов. У боль­

ныI,' страдающих ожирением или же сахарным диа­

бетом типа 11 и ожирением, нередко наблюдается не­

переносимость глюкозы и инсулинорезистентность,

несмотря на повышенный уровень инсулина в крови. у таких больных снижено количество рецепторов

инсулина (эффект понижающей регуляции) на клет­

ках-мишенях - жировых, печеночных, мышечных.

При похудании у этих больных постепенно снижает­

ся уровень инсулина в крови, возрастает число ре-

ров.

ЛИТЕРАТУРА

Gin''Iherg В.II. Synthesis and regu1ation оГ rcccptors Сог ро1у­ pcptide hormones. Pages 5997. 111: 8io10gica1 Regu1ation and Deve10pment, Vol. 38, Yamamoto К. (ed.). Plenum

Rotll J. е' а/. The evolutionary origins оfhогmопеs. neurotransmitters. and other extracel1ular messcngers. N. Eng1. J. Med .. 1982, 306. 523.

Sihley D. R .. LefkO\~'it= R. J. Molecular mесlшнisms оС receptor

desensitization using thc j3-adrenergic receptor-couplcd adenylate cyclasc systcm а!> а model. Nature, 19~5, 317. 124.

БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Основой правильного диагноза и соответственно правильного лечения болезни служит понимание

происходящих в организме больного патофизиоло­ гических процессов и их количественная оценка. За­

болевания эндокринной системы, которые, как пра­

вило, обусловлены избыточной либо недостаточной

продукцией гормонов,- прекрасный пример того,

как теоретические представления находят примене­

ние в клинической медицине. Зная общие аспекты

действия гормонов, а также физиологическое и био­

химическое действие отдельных гормонов, можно

выявить синдромы эндокринного заболевания, обу­ словленного дисбалансом гормонов, и назначить эффективное лечение.

КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРМОНОВ

Гормоны можно классифицировать по химиче­

скому составу, растворимости, локализации их ре­

цепторов и природе сигнала, опосредующего гормо­

нальный внутриклеточный эффект. Классификацию, основанную на последних двух свойствах, иллю­ стрирует табл. 44.1, а общие характеристики каждой из групп приведены в табл. 44.2.

Гормоны первой группы липофильны и, за ис-

на внутриклеточные процессы обмена опосредуется

промежуточными соединениями. называемыми вто­

рыми посредниками (первый посредник - сам гор­

мон); последние образуются в результате взаимо­

действия лиганд - рецептор. Концепция второго посредника возникла в результате работ Сазерлен­

да, показавшего, что адреналин связывается с плаз­

матической мембраной эритроцитов голубя и увели­ чивает внутриклеточную концентрацию сАМР. В по­ следующих сериях исследований было выявлено, что сАМР опосредует метаболические эффекты многих гормонов. Гормоны, в отношении которых доказан

такой механизм действия, составляют группу II.А.

Некоторые гормоны используют в качестве внутри­

клеточного сигнала кальций или метаболиты сло­

жных фосфоинозитидов (или то И другое вместе).

хотя первоначально предполагалось, что они дей­

ствуют через сАМР. Эти гормоны включены в груп­

пу II.Б. ДЛЯ большой и очень интересной группы Н.В

внутриклеточный посредник окончательно не уста­

новлен. В качестве возможных кандидатов на эту роль для инсулина рассматривали целый ряд соеди­

нений: сАМР, сОМР. H20 1 , кальпий. несколько ко­

ротких пептидов, фосфолипид, сам инсулин и инсу­ ЛИНОВЫЙ рецептор, но пока не найдено ни одного. от­ вечающего необходимым критериям. Может оказать-

Группа 1. Гормоны, связывающиеся с вну."риклеточными ре-

Группа п. Гормоны, связывающиеся с рецеllторами на по­

Б. Второй посредник -кадьций ШllI фосфатllдИЛlllIО1И{)Ы

2)Фактор роста фиб-

ся, что действие гормонов этой группы опосредо­

вано различными механизмами и несколькими ме­

диаторами. Отдельные гормоны трудно отнести к какой-то одной категории, и по мере накопления

информации их место в классификации может изме­

ниться.

фоинозити­

дов И др.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ГОРМОНОВ

1 ГРУППЫ

Общая схема действия гормонов этой группы по­ казана на рис. 44.1. Их липофильные молекулы диф­ фундируют сквозь плазматическую мембрану лю­ бых клеток, но только в клетках-мишенях они нахо­ дят свой специфический рецептор, имеющий высо­

кую степень сродства к гормону. Образуется ком­

плекс гормон - рецептор, который далее подвергает­

ся «активации». В результате этой реакции, завися­ щей от температуры и присутствия солей. меняется

величина, конформаuия и поверхностный заряд ком­ плекса, и он приобретает способность связываться

с хроматином. Вопрос о том. где происходит обра­

зование и «активация» комплекса - в цитоплазме

или ядре,- остается спорным, но он не очень суще­

ствен для понимания процесса в целом. Гормон­ рецепторный комплекс связывается со специфиче­

ской областью ДИК и активирует либо инактиви­ рует специфические гены. В результате избиратель­

ного воздействия на транскрипцию генов и синтез

соответствующих мРНК происходит изменение со­ держания определенных белков, что сказывается на активности тех или иных проuессов метаболизма. Эффект каждого из гормонов описываемой группы совершенно специфичен; как правило, их влияние сказывается менее чем на 1% белков или мРНК клет­ ки-мишени. Здесь мы обсуждаем ядерный механизм

действия стероидных и тиреоидных гормонов, по­ скольку этот механизм хорошо изучен. Однако

имеются данные о прямом эффекте указанных гор­

монов на компоненты цитоплазмы и различные ор­

ганеллы.

Было показано воздействие эстрогенов и глюко­ кортикоидов на деградацию мРИК; известно также,