12.1. Механизмы взаимодействия гормона с клетками

Гормоны способны оказывать ряд физиологических дей­ствий.

Метаболическое, связанное с изменением обмена ве­ществ. Большинство гормонов участвуют в регуляции обмена веществ путем изменения активности ферментативных систем в тканях. Для некоторых гормонов воздействие на обменные про­цессы является основной функцией. Например, инсулин, глкжа-гон и адреналин непосредственно регулируют углеводный обмен; глюкокортикоиды стимулируют образование углеводов из про­дуктов распада белков, минералкортикоиды влияют на содержа­ние натрия и калия в организме, а гормон околощитовидной железы регулирует обмен кальция и фосфора. Соматотропный гормон гипофиза стимулирует синтез белка и расходование угле­водов и жиров. Влияние на уровень энергетических процессов гормонов щитовидной железы реализуется за счет усиления рас­щепления белков, углеводов и жиров. Влияние половых гормо­нов проявляется в усилении синтеза белков (особенно мышеч­ных) и интенсивном расходовании жира и изменении минераль­ного обмена.

Морфогенетическое, связанное с изменением диффе­ренциации клеток и тканей, ростом и метаморфозом. Хорошо известно действие гормонов щитовидной железы на метаморфоз головастиков; нарушение ее функций приводит к ощутимым нару­шениям роста и развития молодняка большинства животных. Гона-дотропные гормоны гипофиза стимулируют рост, развитие и диф-ференцировку клеток половых желез. Начало продукции гормонов половыми железами обусловливает развитие половых органов и по­явление вторичных половых признаков.

Кинетическое, или пусковое, воздействие, вызывающее деятельность эффекторных структур. Эндокринокинетическое действие характерно для тропных гормонов гипофиза, которые необходимы для «включения» выработки гормонов щитовидной железы, половых желез и гормонов коры надпочечника. Кроме того, «пусковое» воздействие некоторых нейрогипофизарных гормонов заключается в инициации сокращений гладкой муску­ латуры матки, миоэпителия молочных желез, гладкой мускула­ туры сосудов. ₄

Коррегирующее, связанное с изменением уровня ин­тенсивности функций организма или его органов, работающих и

без участия гормонального влияния. При этом происходит усиле­ние или ослабление физиологических процессов. Так, адреналин учащает ритм и увеличивает силу сердечных сокращений, но угнетает сократительную активность мускулатуры желудочно-кишечного тракта.

Ключевой этап в реализации физиологического действия гор­мона на клетку-мишень — это его связывание со специфическим белком-рецептором, который служит распознающим посредни­ком гормонального эффекта. Наличие рецептора — необходимое условие развития эндокринной функции, и, если в клетке нет ре­цепторов, гормон не способен воздействовать на нее.

В общем виде рецептор для любого из гормонов состоит из трех пространственно обособленных структур:

осуществляющей избирательный прием гормонального сигнала за счет специфического и обратимого связывания гормона;

осуществляющей преобразование внешнего гормонального си­гнала во внутриклеточный сигнал;

ответственной за инициацию регуляторных эффектов гормона за счет взаимодействия гормонорецепторного комплекса с различ­ными акцепторными участками клетки (рис. 12.1).

Таким образом, рецептор — это такая химическая структура со­ответствующей ткани-мишени, которая имеет высокоспецифич­ные участки для связывания гормональных соединений, причем в результате этого связывания инициируются последующие био­химические реакции, необходимые для осуществления конечного эффекта данного гормона.

'ZZZ/g>

Исходя из локализации рецепторов, характера акцепторных участков и особенностей гормонзависимых эффектов, рецепцию разделяют на внутриклеточную и мембранную. Внутриклеточная рецепция характерна для стероидных и тиреоидных гормонов. Гор­мон свободно проникает через плазматическую мембрану внутрь клетки и взаимодействует с цитозольными, ядерными и другими рецепторами. Мембраносвязанные рецепторы связывают гормоны на поверхности клеток, и гормональные эффекты развиваются благодаря образованию внутриклеточ­ных посредников (медиаторов) в ре­зультате взаимодействия гормоноре-цепторных комплексов с мембран-

Рис. 12.1. Модель функционально-структурной организации рецепторной молекулы:

а — гормоносвязывающий участок; е — эффекторный участок; зигзагообразная линия — участок сопряже­ния а и е; А — акцептор; Г— гормон

486

487

ными акцепторными структурами. Как правило, мембранным акцептором служит либо аденилатциклаза, изменяющая уровень внутриклеточного циклического аденозинмонофосфата (цАМФ), либо неэлектрогенные кальциевые каналы, изменяющие внутри­клеточную концентрацию ионизированного кальция, либо специ­фические протеазы, способные изменить внутриклеточное содер­жание специфических гликопептидов.

Существует и возможность внутриклеточного действия свя­занного с мембраной гормона. Мембранные рецепторы обычно асимметрично встроены в плазматическую мембрану, причем связывающий гормонузнающий фрагмент их молекул жестко ориентирован к наружной поверхности и обращен к внеклеточ­ному пространству. Взаимодействующая с акцептором часть ре-цепторной молекулы (или рецепторного комплекса) ориентиро­вана в противоположном направлении и обращена к цитоплазме клетки. Эта жесткая ориентация рецепторов обеспечивает век-торность трансмембранной передачи гормональной информа­ции внутрь клеток. Локализуясь трансмембранно, гидрофобная часть мембранных (поверхностных) рецепторов оказывается погруженной в бислойную липидную мембрану, в то время как связывающие и исполнительные участки находятся в водной фазе. Несмотря на относительную жесткость фиксации таких рецепторов в мембране, они способны перемещаться, осущест­вляя продольные и поперечные движения, облегчая тем самым «поиск» рецептором гормона. Возможная подвижность рецеп-торных молекул позволяет осуществить клетке такие процессы, как агрегирование и интернализация рецепторов, связавших гормональные молекулы. В основе этого процесса лежит спе­циальный процесс — адсорбтивный эндоцитоз. Диффузно распре­деленные по клеточной поверхности рецепторы после связыва­ния гормона приобретают способность к движениям в латераль­ной плоскости. Сближаясь, они объединяются (кластеризуют­ся) в особых участках плазматической мембраны — окаймленных ямках — местах начала интернализации. По данным электрон­ной микроскопии, окаймленные ямки представляют собой уг­лубления в клеточной мембране со стороны цитоплазмы, вы­стланные слоем щетинкоподобного белка — клатрина, выполня­ющего функцию своеобразного каркаса (клатриновая корзинка). Загруженные кластерами гормонорецепторных комплексов окайм­ленные ямки постепенно углубляются, замыкаются и отрывают­ся от мембраны, превращаясь в свободно плавающие по цито-плазматическому пространству везикулы. В ходе перемещения по цитоплазме происходит утрата клатринового покрытия, гладкие везикулы объединяются, формируя рецептосомы, которые способ­ны сливаться с лизосомами или структурами аппарата Гольджи. Образование комплексной эндолизосомальной везикулы приво­дит к ферментативному разделению комплекса гормон-рецептор,

ного эндоцитоза: (

/—окаймленная ямка; //— эндосома; 111— |

мультивезикулярные эндосомы; АГ— аппарат I Гольджи

/^

причем «проникший» в составе эндосомы гормон способен свя­зываться с внутриклеточными структурами, а рецептор имеет возможность вновь встроиться в плазматическую мембрану (ре-циклировать) (рис. 12.2).

Рецепция стероидных гормонов. Стероидные гормоны как липо-фильные вещества способны сравнительно свободно проникать через плазматические мембраны внутрь клетки и быстро связы­ваться с соответствующим цитозольным рецептором. Образован­ный в цитоплазме гормонорецепторный комплекс способен акти­вироваться за счет освобождения от внутриклеточных ингибито­ров. Процесс активации сопровождается дополнительной кон-формационной перестройкой молекулы рецептора с локальным выходом на его поверхность положительных зарядов — остатков лизина и аргинина, что позволяет ему электростатически связы­ваться с полианионами, к которым, в частности, относится ДНК. Электростатическое и структурное взаимодействие гормон-рецеп-торного комплекса с хроматином, происходящее в результате транслокации его в ядро, приводит к индукции множественных эффектов гормона, регулируя процессы транскрипции. При этом возможно сосуществование двух механизмов:

селективного — легко насыщаемое избирательное связывание комплексов с ограниченным числом специфических акцептор­ных участков ДНК, ответственных за транскрипцию определен­ных генов;

определяющего интенсивность процесса — ненасыщаемое связывание комплексов с большим числом разных участков ДНК и других компонентов хроматина, приводящих к их де-конденсации и общему повышению матричной активности. Гормонорецепторный комплекс, взаимодействуя с хроматином, специфически изменяет уровень синтеза определенных мРНК, рРНК и выход их за пределы ядра, а также синтез структурных и функциональных белков (рис. 12.3). На заключительном эта­пе необходимо присутствие факторов терминации, инактивиру-ющих рецепторы, и ферментов стероидного метаболизма, раз­рушающих гормон, что позволяет завершить рабочий цикл ре­цепторов.

488

489

Ядро

Цитозоль

Г Г

-РНКп

Гормональные эффекты

Рис. 12.3. Модель основных стадий рецепции стероидных гормонов:

Г— гормон, Р— рецептор; ГР— исходный гормонорецепторный комплекс; ГРа — активированный гормонорецепторный комп­лекс; А, В, С— конформационные состояния гормонорецепторно-го комплекса; ДНП— хроматин; РНКп — индуцируемые РНК

Рецепция тиреоидных гормонов. Освобожденные от транспорт­ных плазматических белков гормоны щитовидной железы — три-йодтиронин и тироксин — относительно свободно проникают внутрь клеток. В цитоплазме тироксин, превращаясь в трийодти-ронин, связывается со специфическими ядерными рецепторами, которые располагаются на молекуле ДНК. Связывание гормон-рецепторного комплекса зависит как от ионного окружения, так и от особенностей первичной и вторичной структуры акцептор­ной ДНК. Функциональное сопряжение гормонорецепторного комплекса с ДНК зависит от гистонов, способных повысить сродство рецепторов к гормону и сродство комплекса к специ­фическим локусам ДНК, что и обеспечивает избирательную ре­гуляцию синтеза соответствующих функциональных мРНК и рРНК. В ходе трансляции индуцированные РНК меняют уровень синтеза кодируемых ими белков.

Рецепция белково-пептидных гормонов. В отличие от стероид­ных и тиреоидных гормонов белково-пептидные гормоны и кате-холамины действуют на гормонозависимые клетки через поверх­ностные рецепторы, локализованные в плазматических мембра­нах. Обнаружено три самостоятельных пути прохождения ин­формационного гормонального сигнала с поверхности клетки: аденилатциклазный; кальциевый; протеазный. Эти пути могут реализоваться самостоятельно, однако в реальных физиологичес­ких условиях они тесно сопряжены.

Аденилатциклазный механизм реализуется по­средством взаимодействия гормонорецепторного комплекса с локализованным в мембране ферментом аденилатциклазой, об­разующим внутриклеточный посредник цАМФ. Деятельность

аденилатциклазы осуществляется при участии факторов транс­мембранного сопряжения: гуанозинтрифосфат (ГТФ) — связыва­ющий N-белок, локализованный в липидном слое мембраны; ГТФ, катионы магния и марганца и анионы железа, компоненты цитоскелета (микротрубочки и микрофиламенты); кислые липи-ды мембран и некоторые ферменты составляют аденилатциклаз-ную систему. ГТФ, играющий основную роль в трансмембранном сопряжении, связывает N-белок, и этот комплекс активирует аде-нилатциклазу, которая способна при образовании одного гормон-рецепторного комплекса образовать до 500 молекул цАМФ. В комп­лексе с рецептором и аденилатциклазой N-белок способен присо­единять к себе ГТФазу, которая, расщепляя ГТФ, инактивируя N-белок и аденилатциклазу, прекращает процесс активации цик-лазного фермента. Внутриклеточная концентрация посредника 3', 5'-мононуклеотида (цАМФ) регулируется цитоплазматическим фер­ментом фосфодиэстеразой, расщепляющей его до неактивного 5'-мононуклеотида (рис. 12.4).

Биологический эффект

Гормон

Фосфорилированные белки

Фосфопротеин-фосфатаза

Биологический эффект

Рис. 12.4. Схема механизма действия гормонов у животных с участием цАМФ

Белки хроматина

490

Образовавшийся в клетке цАМФ специфически взаимодейст­вует с регуляторными субъединицами цАМФ-зависимых протеин-киназ, происходит диссоциация молекул фермента на мономеры. В результате каталитическая субъединица активизируется и обес­печивает в цитоплазме фосфорилирование целого ряда синтезиро­ванных функциональных и структурных белков, изменяя их функ­циональное состояние: активируются киназа фосфорилазы, липа­за, фосфолипаза, фосфопротеины рибосом, гистоны и т. д. Кроме того, комплекс цАМФ с одной из регуляторных субъединиц транслоцируется в клеточное ядро и оказывает избирательное воз­действие на активность генома в ходе транскрипции.

Необходимо отметить, что стимулирующие эффекты гормонов могут вторично усиливаться и распространяться за счет образова­ния простагландинов — производных арахидоновой кислоты, ко­торая под влиянием циклооксигеназы превращается в цикличес­кие эндоперекиси PgG₂ и PgH₂, из которых затем образуются про-стагландины. Простагландины, выходя из материнской клетки, могут действовать на те же или соседние клетки и также стимули­ровать аденилатциклазную систему.