Mecanismul de acțiune al hormonilor. Clasificarea hormonilor
Hormonii sunt implicați în controlul metabolismului în felul următor. Fluxul de informații despre stare mediu intern corpul și modificările asociate cu influente externe intra sistem nervos, acolo semnalul de răspuns este procesat și generat. Ajunge la organele efectoare sub formă de impulsuri nervoase de-a lungul nervilor centrifugi și indirect prin sistemul endocrin.
Punctul în care fluxurile de informații nervoase și endocrine se contopesc este hipotalamusul - oamenii intră aici impulsuri nervoase din diferite părți ale creierului. Ele determină producția și secreția de hormoni hipotalamici, care la rândul lor influențează producția de hormoni de către glandele endocrine periferice prin glanda pituitară. Hormonii din glandele periferice, în special din medula suprarenală, controlează secreția celor hipotalamici. În cele din urmă, conținutul de hormoni din sânge este menținut conform principiului autoreglementării. Un nivel ridicat al hormonului oprește sau slăbește formarea acestuia printr-un mecanism de feedback negativ, nivel scăzutîmbunătățește produsele.
Hormonii acționează selectiv asupra țesuturilor, ceea ce se datorează sensibilității inegale a țesuturilor la acestea. Organe și celule cele mai sensibile la influență un anumit hormon, numit de obicei ținta hormonului (organul țintă sau celula țintă).
Conceptul de țesut țintă.Țesutul țintă este un țesut în care un hormon provoacă o reacție fiziologică (biochimică) specifică Reacția generalățesutul țintă determină acțiunea hormonului întreaga linie factori. În primul rând, aceasta este concentrația locală a hormonului în apropierea țesutului țintă, în funcție de:
1. rata de sinteza si secretie a hormonului;
2. apropierea anatomică a țesutului țintă de sursa hormonului;
3. constantele de legare ale hormonului cu o proteină purtătoare specifică (dacă există una);
4. rata de transformare a formei inactive sau slab active a hormonului în cea activă;
5. rata de disparitie a hormonului din sange ca urmare a degradarii sau excretiei.
Răspunsul tisular în sine este determinat de:
Activitatea relativă și (sau) gradul de ocupare a receptorilor specifici
O stare de sensibilizare - desensibilizare a celulei.
Specificitatea hormonilor în raport cu celulele țintă se datorează prezenței receptori specifici.
Toți receptorii hormonali pot fi împărțiți în 2 tipuri:
1) localizat pe suprafata exterioara membrana celulara;
2) celule situate în citoplasmă.
Proprietățile receptorului:
Specificitatea clară a substratului;
Saturabilitate;
Afinitate pentru hormon în limita concentrațiilor biologice ale hormonului;
Reversibilitatea acțiunii.
În funcție de locul în care are loc transferul de informații în celulă, se pot distinge următoarele: opțiuni pentru acțiunea hormonală:
1) Membrană (locală).
2) Membran-intracelular sau mediat.
3) Citoplasmatic (direct).
Tipul membranei Acțiunea se realizează la locul de legare a hormonului de membrana plasmatică și constă într-o modificare selectivă a permeabilității acestuia. Conform mecanismului de acțiune, hormonul în acest caz acționează ca un efector alosteric sisteme de transport membranelor. De exemplu, transportul transmembranar al glucozei este asigurat de actiunea insulinei, a aminoacizilor si a unor ioni. De obicei tipul de acțiune membranară este combinat cu cel membranar-intracelular.
Acțiune membrana-intracelulară Hormonii se caracterizează prin faptul că hormonul nu pătrunde în celulă, ci afectează schimbul în ea printr-un intermediar, care este, parcă, un reprezentant al hormonului din celulă - un mesager secundar (mesagerul primar este hormonul însuși). Nucleotidele ciclice (cAMP, cGMP) și ionii de calciu acționează ca mesageri secundari.
Reglementarea este un mecanism complex complex la care răspunde diferite feluri efectele modificărilor metabolismului și menținerea constantei mediului intern.
Reglarea prin cAMP sau cGMP. O enzimă este construită în membrana citoplasmatică a celulei adenilat ciclază, constând din 3 părți - recunoaștere(un set de receptori localizați pe suprafața membranei), conjugarea(N-proteina care ocupă stratul dublu lipidic al membranei poziție intermediarăîntre receptor şi partea catalitică) şi catalitic(proteina enzimatică reală, al cărei centru activ este orientat spre interiorul celulei). Proteina catalitică are situsuri separate pentru legarea cAMP și cGMP.
Transmiterea informațiilor, a cărei sursă este hormonul, are loc după cum urmează:
Hormonul se leagă de receptor;
Complexul hormon-receptor interacționează cu N-proteina, modificându-i configurația;
Schimbarea configurației are ca rezultat conversia GDP (prezentă în proteina inactivă) în GTP;
Complexul proteină-GTP activează însăși adenilat ciclaza;
Adenilat ciclaza activă produce cAMP în interiorul celulei (ATP ¾® cAMP + H 4 P 2 O 7)
Adenilat ciclaza funcționează atâta timp cât complexul hormon-receptor este păstrat, astfel încât o moleculă a complexului reușește să formeze de la 10 până la 100 de molecule de cAMP.
Sinteza cGMP este declanșată în același mod, singura diferență fiind că complexul hormon-receptor activează guanilat ciclaza, care produce cGMP din GTP.
Nucleotidele ciclice activează protein kinazele (dependente de cAMP sau dependente de cGMP);
Protein kinazele activate fosforilează diferite proteine folosind ATP;
Fosforilarea este însoțită de o modificare a activității funcționale (activare sau inhibare) a acestor proteine.
Nucleotidele ciclice (cAMP și cGMP) acționează asupra diferitelor proteine, deci efectul depinde de receptorul membranar care leagă hormonul. Natura receptorului determină dacă activitatea proteinelor enzimatice dependente de cAMP sau GMPc va fi modificată. Adesea, aceste nucleotide au efecte opuse. Prin urmare, procesele biochimice dintr-o celulă sub influența unui hormon pot fi activate sau inhibate, în funcție de ce receptori are celula. De exemplu, adrenalina se poate lega de receptorii b și a. Primele includ adenilat ciclaza și formarea cAMP, cea din urmă - guanilat ciclază și formarea cGMP. Nucleotidele ciclice activează diferite proteine, deci natura modificari metaboliceîn celulă nu depinde de hormon, ci de receptorii pe care îi are celula.
Efectul nucleotidelor ciclice asupra metabolismului este oprit cu ajutorul enzimelor fosfodiesteraze.
Astfel, procesul controlat prin sistemul de adenil ciclază depinde de relația dintre rata de producere a cAMP sau cGMP și viteza de descompunere a acestora.
Mecanismul de acțiune al hormonilor, inclusiv sistemul adenil-ciclazei, este inerent hormonilor de natură proteică și polipeptidică, precum și catecolaminelor (adrenalină, norepinefrină).
Mecanismul de acțiune citoplasmatic este inerent hormonilor steroizi.
Receptorii hormonilor steroizi sunt localizați în citoplasma celulei. Acești hormoni (având proprietăți lipofile), pătrunzând în celulă, interacționează cu receptorii pentru a forma un complex hormon-receptor, care, după o rearanjare moleculară care duce la activarea lui, pătrunde în nucleul celulei, unde interacționează cu cromatina. În acest caz, genele sunt activate și ulterior se dezvoltă un lanț de procese, însoțite de sinteza îmbunătățită a ARN-ului, inclusiv a celor informaționale. Acest lucru duce la inducerea enzimelor corespunzătoare în timpul procesului de translație, ceea ce implică o schimbare a vitezei și direcției proceselor metabolice în celulă.
Astfel, în acest caz, efectul hormonal se realizează la nivelul aparatului genetic al celulei țintă.
Efectele biologice ale hormonilor care afectează aparatul genetic al celulei se manifestă în principal prin influența lor asupra creșterii și diferențierii țesuturilor și organelor.
Tip mixt transmiterea informaţiei este caracteristică iodotironinelor(hormonii tiroidieni), care din punct de vedere al proprietăților lipofile ocupă o poziție intermediară între hormonii solubili în apă și cei lipofili (steroidieni). Acest grup de hormoni își realizează efectul prin mecanisme membrana-intracelulare și citosolice.
Inițial, termenul „hormon” desemna substanțe chimice care sunt secretate de glandele endocrine în vasele limfatice sau de sânge, circulă în sânge și au efect asupra diferitelor organe și țesuturi situate la o distanță considerabilă de locul formării lor. S-a dovedit însă că unele dintre aceste substanțe (de exemplu, norepinefrina), care circulă în sânge ca hormoni, acționează ca un neurotransmițător, în timp ce altele (somatostatina) sunt atât hormoni, cât și neurotransmițători. În plus, anumite substanțe chimice sunt secretate de glandele sau celulele endocrine sub formă de prohormoni și doar la periferie sunt transformate în hormoni activi biologic (testosteron, tiroxină, angiotensinogen etc.).
Hormonii, în în sens larg cuvintele sunt substanțe biologic active și purtătoare de informații specifice, cu ajutorul cărora comunicarea între celule diferiteși țesuturi, care este necesar pentru reglarea numeroaselor funcții ale corpului. Informațiile conținute de hormoni ajung la destinatar datorită prezenței receptorilor, care o traduc într-o acțiune (influență) post-receptivă, însoțită de un anumit efect biologic.
În prezent, se disting următoarele opțiuni pentru acțiunea hormonilor:
1) hormonal sau hemocrin, adică acțiune la o distanță considerabilă de locul de formare;
2) izocrină sau locală, atunci când o substanță chimică sintetizată într-o celulă are un efect asupra unei celule situate în contact strâns cu prima, iar eliberarea acestei substanțe se realizează în lichidul interstițial și sânge;
3) neurocrină, sau neuroendocrină (sinaptică și non-sinaptică), acțiune, când un hormon, eliberat din terminațiile nervoase, îndeplinește funcția de neurotransmițător sau neuromodulator, adică. o substanță care modifică (de obicei sporește) acțiunea unui neurotransmițător;
4) paracrină - un tip de acțiune izocrină, dar în acest caz hormonul produs într-o celulă intră în lichidul intercelular și afectează un număr de celule situate în imediata apropiere;
5) juxtacrină - un tip de acțiune paracrină, când hormonul nu intră în lichidul intercelular, iar semnalul este transmis prin membrana plasmatică a unei alte celule situate în apropiere;
6) acțiune autocrină, când un hormon eliberat dintr-o celulă afectează aceeași celulă, modificând-o activitate functionala;
7) acțiune solinocrină, când un hormon dintr-o celulă pătrunde în lumenul ductului și ajunge astfel la o altă celulă, exercitând un efect specific asupra acesteia (de exemplu, unii hormoni gastrointestinali).
Sinteza hormonilor proteici, ca și alte proteine, este sub control genetic, iar celulele tipice de mamifere exprimă gene care codifică între 5.000 și 10.000. diverse proteine, și unele celule foarte diferențiate - până la 50.000 de proteine. Orice sinteză de proteine începe cu transpunerea segmentelor de ADN, apoi transcripția, procesarea post-transcripțională, traducerea, procesarea post-translațională și modificarea. Mulți hormoni polipeptidici sunt sintetizați sub formă de prohormoni precursori mari (proinsulină, proglucagon, proopiomelanocortin etc.). Conversia prohormonilor în hormoni are loc în aparatul Golgi.
În funcție de natura lor chimică, hormonii sunt împărțiți în proteine, steroizi (sau lipide) și derivați de aminoacizi.
Hormonii proteici sunt împărțiți în hormoni peptidici: ACTH, hormon somatotrop (GH), hormon de stimulare a melanocitelor (MSH), prolactină, hormon paratiroidian, calcitonină, insulină, glucagon și hormoni proteici - glucoproteine: hormon tirotrop (TSH), foliculostimulant hormon (FSH), hormon luteinizant (LH), tiroglobulina. Hormonii hipofiziotropi și hormonii tractului gastrointestinal aparțin oligopeptidelor sau peptidelor mici. Hormonii steroizi (lipidici) includ corticosteron, cortizol, aldosteron, progesteron, estradiol, estriol, testosteron, care sunt secretați de cortexul suprarenal și de gonade. Acest grup include și sterolii de vitamina D – calcitriol. Derivații acidului arahidonic sunt, așa cum sa indicat deja, prostaglandine și aparțin grupului eicosanoidelor. Adrenalina și norepinefrina, sintetizate în medula suprarenală și alte celule cromafine, precum și hormonii tiroidieni sunt derivați ai aminoacidului tirozină. Hormonii proteici sunt hidrofili și pot fi transportați în sânge atât liber, cât și parțial legați de proteinele din sânge. Hormonii steroizi și tiroidieni sunt lipofili (hidrofobi), au o solubilitate scăzută, iar cea mai mare parte a acestora circulă în sânge în stare legată de proteine.
Hormonii își desfășoară acțiunea biologică combinându-se cu receptorii - molecule informaționale care transformă semnalul hormonal în acțiune hormonală. Majoritatea hormonilor interactioneaza cu receptorii situati pe membranele plasmatice ale celulelor, in timp ce alti hormoni interactioneaza cu receptorii localizati intracelular, i.e. cu citoplasmatică şi nucleară.
Hormonii proteici, factorii de creștere, neurotransmițătorii, catecolaminele și prostaglandinele aparțin grupului de hormoni pentru care receptorii sunt localizați pe membranele plasmatice ale celulelor. Receptorii plasmatici, în funcție de structura lor, sunt împărțiți în:
1) receptori, al căror segment transmembranar este format din șapte fragmente (bucle);
2) receptori, al căror segment transmembranar este format dintr-un fragment (buclă sau lanț);
3) receptori, al căror segment transmembranar este format din patru fragmente (bucle).
Hormonii al căror receptor este format din șapte fragmente transmembranare includ: ACTH, TSH, FSH, LH, gonadotropină corionică umană, prostaglandine, gastrină, colecistochinină, neuropeptidă Y, neuromedin K, vasopresină, adrenalină (a-1 și 2, b-1 și 2) , acetilcolină (M1, M2, M3 și M4), serotonină (1A, 1B, 1C, 2), dopamină (D1 și D2), angiotensină, substanță K, substanță P sau neurokinină tipurile 1, 2 și 3, trombina, interleukină -8, glucagon, calcitonină, secretină, somatoliberină, VIP, peptidă de activare a adenil-ciclazei hipofizare, glutamat (MG1 – MG7), adenină.
Al doilea grup include hormoni care au un fragment transmembranar: hormon de creștere, prolactină, insulină, somatomamotropină sau lactogen placentar, IGF-1, factori de creștere a nervilor sau neurotrofine, factor de creștere a hepatocitelor, peptide natriuretice atriale de tipuri A, B și C, oncostatina , eritropoietină, factor neurotrofic ciliar, factor inhibitor de leucemie, factor de necroză tumorală (p75 și p55), factor de creștere neuronală, interferoni (a, b și g), factor de creștere epidermică, factor de neurodiferențiere, factori de creștere a fibroblastelor, factori de creștere a trombocitelor A și B , factor de stimulare a coloniilor de macrofage, activină, inhibină, interleukine-2, 3, 4, 5, 6 și 7, factor de stimulare a coloniilor de granulocite-macrofage, factor de stimulare a coloniilor de granulocite, lipoproteină de joasă densitate, transferină, IGF-2, activator al plasminogenului urokinazei.
Hormonii celui de-al treilea grup, al cărui receptor are patru fragmente transmembranare, includ acetilcolina (mușchi și nervi nicotinici), serotonina, glicina, acidul g-aminobutiric.
Receptorii de membrană sunt componente integrante ale membranelor plasmatice. Legătura hormonului cu receptorul corespunzător este caracterizată de o afinitate ridicată, adică. grad ridicat de afinitate receptorului pentru acest hormon.
Efectul biologic al hormonilor care interacționează cu receptorii localizați pe membrana plasmatică se realizează cu participarea unui „al doilea mesager” sau transmițător.
În funcție de substanța care își îndeplinește funcția, hormonii pot fi împărțiți în următoarele grupuri:
1) hormoni care au un efect biologic cu participarea adenozin monofosfatului ciclic (cAMP);
2) hormoni care își desfășoară acțiunea cu participarea monofosfatului de guanidină ciclică (cGMP);
3) hormoni care mediază acțiunea lor cu participarea calciului ionizat sau fosfatidilinozitide (inozitol trifosfat și diacilglicerol) sau ambii compuși ca un al doilea mesager intracelular;
4) hormoni care își exercită efectul prin stimularea unei cascade de kinaze și fosfataze.
Mecanismele implicate în formarea mesagerilor secunde operează prin activarea adenilat-ciclazei, guanilat-ciclazei, fosfolipazei C, fosfolipazei A2, tirozin kinazelor, canalelor Ca2+ etc.
Corticoliberină, somatoliberină, VIP, glucagon, vasopresină, LH, FSH, TSH, gonadotropină corionică umană, ACTH, hormon paratiroidian, prostaglandine tip E, D și I, catecolaminele b-adrenergice au efect hormonal prin activarea receptorilor prin stimularea sistemului adenilat ciclază - AMPc. În același timp, un alt grup de hormoni, precum somatostatina, angiotensina II, acetilcolina (efect muscarinic), dopamina, opioidele și catecolaminele a2-adrenergice, inhibă sistemul adenilat ciclază-cAMP.
Sistemul fosfolipazei C și trifosfatul de inozitol sunt implicate în formarea mesagerilor secundari pentru hormoni precum gonadoliberina, hormonul de eliberare a tirotropinei, dopamina, tromboxanul A2, endoperoxizii, leucotrienele, agniotensina II, endotelina, hormonul paratiroidian, catecholapeptida a1-a1-adrenică. , acetilcolina, bradikinina, vasopresina, proteinkinaza C dependenta de Ca2+. Insulina, factorul de stimulare a coloniilor de macrofage, factorul de crestere derivat din trombocite mediaza actiunea lor prin tirozin kinaza si hormonul natriuretic atrial, histamina, acetilcolina, bradikinina, factorul endoteliu sau derivat oxid nitric, care la rândul său este implicat în medierea efectului vasodilatator al bradikininei și acetilcolinei prin guanilat ciclază. Trebuie remarcat faptul că împărțirea hormonilor în funcție de principiul sistemelor de activare sau a unuia sau altul mesager secundar este arbitrară, deoarece mulți hormoni, după interacțiunea cu receptorul, activează simultan mai mulți mesageri secundari.
Majoritatea hormonilor care interacționează cu receptorii plasmatici, care au 7 fragmente transmembranare, activează mesagerii secundari prin legarea la proteinele nucleotidice guanilat sau proteinele G sau proteinele reglatoare (proteinele G), care sunt proteine heterotrimerice constând din a-, b-, g- subunități . Au fost identificate mai mult de 16 gene care codifică subunitatea a și mai multe gene pentru subunitățile b și g. Diferite tipuri de subunități a au efecte non-identice. Astfel, subunitatea a-s inhibă adenilat ciclaza și canalele Ca2+, subunitatea a-q inhibă fosfolipaza C, subunitatea a-i inhibă adenilat ciclaza și canalele Ca2+ și stimulează fosfolipaza C, canalele K+ și fosfodiesteraza; Subunitatea b stimulează fosfolipaza C, adenilat ciclaza și canalele Ca2+, iar subunitatea g stimulează canalele K+, fosfodiesteraza și inhibă adenilat ciclaza. Funcția exactă a altor subunități ale proteinelor reglatoare nu a fost încă stabilită.
Hormonii care se complexează cu un receptor care are un fragment transmembranar activează enzimele intracelulare (tirozin kinază, guanilat ciclază, serin-treonin kinază, tirozin fosfatază). Hormonii, ai căror receptori au 4 fragmente transmembranare, transmit semnalul hormonal prin canale ionice.
Cercetare anii recenti S-a demonstrat că mesagerii secundari nu sunt doar unul dintre compușii enumerați, ci un sistem în mai multe etape (în cascadă), al cărui substrat (substanță) final poate fi unul sau mai mulți compuși biologic activi. Astfel, hormonii care interacționează cu receptorii care au 7 fragmente transmembranare și activează proteina G stimulează apoi adenilat ciclaza, fosfolipaza sau ambele enzime, ceea ce duce la formarea mai multor mesageri secundari: cAMP, inozitol trifosfat și diacilglicerol. Până în prezent, acest grup este reprezentat de cel mai mare număr (mai mult de 100) de receptori, care includ receptori peptidergici, dopaminergici, adrenergici, colinergici, serotoninergici și alți receptori. În acești receptori, 3 fragmente extracelulare (bucle) sunt responsabile pentru recunoașterea și legarea hormonului, 3 fragmente intracelulare (bucle) leagă proteina G. Domeniile transmembranare (intramembranare) sunt hidrofobe, iar fragmentele extracelulare și intracelulare (buclele) sunt hidrofile. Capătul citoplasmatic C-terminal al lanțului polipeptidic al receptorului conține zone în care, sub influența proteinelor G activate, are loc fosforilarea, care caracterizează starea activă a receptorului cu formarea simultană de mesageri secundari: cAMP, inozitol trifosfat și diacilglicerol.
Interacțiunea hormonului cu receptorul, care are un fragment transmembranar, duce la activarea enzimelor (tirozin kinază, fosfat-tirozin fosfatază etc.) care fosforilează reziduurile de tirozină pe moleculele proteice.
Complexarea hormonului cu un receptor aparținând celui de-al treilea grup și având 4 fragmente transmembranare duce la activarea canalelor ionice și la intrarea ionilor, care la rândul lor fie stimulează (activează) serin-treonin kinazele care mediază fosforilarea anumitor secțiuni ale proteina sau duce la depolarizarea membranei. Transmiterea semnalului prin oricare dintre mecanismele enumerate este însoțită de efecte caracteristice acțiunii hormonilor individuali.
Istoria studiului mesagerilor secunde începe cu studiile lui Sutherland și colab.(1959), care au arătat că descompunerea glicogenului hepatic sub influența glucagonului și adrenalinei are loc prin efectul stimulator al acestor hormoni asupra activității celulei. enzima membranară adenilat ciclază, care catalizează conversia adenozin trifosfatului (ATP) intracelular în cAMP (Schema 1).
Schema 1. Conversia ATP în cAMP.
Adenilat ciclaza în sine este o glicoproteină cu o greutate moleculară de aproximativ 150.000 kDa. Adenilat ciclaza participă cu ionii Mg2+ la formarea cAMP, a cărui concentrație în celulă este de aproximativ 0,01-1 μg mol/l, în timp ce conținutul de ATP din celulă atinge un nivel de până la 1 μg mol/l.
Formarea cAMP are loc cu ajutorul sistemului de adenil-ciclază, care este una dintre componentele receptorului. Interacțiunea unui hormon cu receptorul din primul grup (receptori cu 7 fragmente transmembranare) include cel puțin 3 etape succesive: 1) activarea receptorului, 2) transmiterea semnalului hormonal și 3) acțiunea celulară.
Prima etapă, sau nivel, este interacțiunea hormonului (ligandului) cu receptorul, care se realizează prin legături ionice și de hidrogen și compuși hidrofobi care implică cel puțin 3 molecule membranare ale proteinei G sau proteinei reglatoare, constând dintr-un subunitățile -, b- și g-. Aceasta, la rândul său, activează enzimele legate de membrană (fosfolipaza C, adenilat ciclază) cu formarea ulterioară a 3 mesageri secundi: inozitol trifosfat, diacilglicerol și cAMP.
Sistemul receptor al adenilat-ciclazei constă din 3 componente: receptorul însuși (părți stimulatoare și inhibitoare), o proteină reglatoare cu subunitățile sale a-, b- și g și o subunitate catalitică (adenilat ciclaza însăși), care sunt în stare normală ( adică nestimulate) sunt separate unele de altele (Schema 2). Receptorul (ambele părți ale sale - stimulator și inhibitor) este situat la exterior, iar unitatea de reglare este situată pe suprafața interioară a membranei plasmatice. Unitatea de reglare, sau proteina G, este legată de guanozin difosfat (GDP) în absența unui hormon. Complexarea hormonului cu receptorul determină disocierea complexului proteină G-GDP și interacțiunea proteinei G, și anume subunitatea sa a cu guanozin trifosfat (GTP) și formarea simultană a complexului subunității b/g, care poate provoca anumite efecte biologice. Complexul GTP-a-subunitate, așa cum sa menționat deja, activează adenilat ciclaza și formarea ulterioară a cAMP. Acesta din urmă activează protein kinaza A cu fosforilarea corespunzătoare a diferitelor proteine, care se manifestă și printr-un anumit efect biologic. În plus, complexul GTP-a-subunitate activat în unele cazuri reglează stimularea fosfolipazei C, cGMP, fosfodiesterazei, canalelor Ca2+ și K+ și are un efect inhibitor asupra canalelor Ca2+ și adenilat-ciclazei.
Schema 2. Mecanismul de acțiune al hormonilor proteici prin activarea cAMP (explicații în text).
RS – receptor de legare a hormonilor stimulatori
St – hormon de stimulare,
Ru – receptor de legare a hormonilor inhibitori
Ug este un hormon inhibitor
Ac - adenilat ciclază,
Gy – proteina supresoare de hormoni,
Gc este o proteină care stimulează hormonii.
Prin urmare, rolul hormonului este de a înlocui complexul G-proteină-GDP cu complexul G-proteină-GTP. Acesta din urmă activează subunitatea catalitică, transformând-o într-o stare cu afinitate mare pentru complexul ATP-Mg2+, care este rapid transformat în cAMP. Concomitent cu activarea adenilat-ciclazei și formarea cAMP, complexul proteină G-GTP determină disocierea complexului receptor hormonal prin reducerea afinității receptorului pentru hormon.
AMPc rezultat activează la rândul său protein kinazele dependente de cAMP. Sunt enzime care efectuează fosforilarea proteinelor corespunzătoare, adică. transferul unei grupări fosfat de la ATP la gruparea hidroxil a serinei, treoninei sau tirozinei incluse în molecula proteică. Proteinele fosforilate în acest fel realizează direct efectul biologic al hormonului.
În prezent s-a stabilit că proteinele de reglare sunt reprezentate de peste 50 de proteine diferite capabile să se complexeze cu GTP, care sunt împărțite în proteine G cu greutate moleculară mică (20-25 kDa) și proteine G cu molecul mare, constând din 3 subunități (a - c greutate moleculară 39-46 kDa; b – 37 kDa și subunitatea g – 8 kDa). Subunitatea a este în esență o GTPază care hidrolizează GTP în GDP și fosfat anorganic liber. Subunitățile b și g participă la formarea complexului activ după interacțiunea ligandului cu receptorul corespunzător. Prin eliberarea GDP la locurile de legare a acesteia, subunitatea a provoacă disocierea și dezactivarea complexului activ, deoarece asocierea repetată a subunității a - GDP cu subunitățile b și g readuce sistemul de adenil ciclază la starea initiala. S-a stabilit că subunitatea a a proteinei G în diferite țesuturi este reprezentată de forme 8, b – 4 și g – 6. Disocierea subunităților proteinei G în membrana celulară poate duce la formarea și interacțiunea simultană a diferitelor semnale care au efecte biologice de putere și calitate inegale la capătul sistemului.
Adenilat ciclaza în sine este o glicoproteină cu o greutate moleculară de 115-150 kDa. În diverse țesuturi au fost identificate 6 izoforme care interacționează cu subunitățile a-, b- și g-, precum și cu calmodulină Ca2+. În unele tipuri de receptori, în plus față de proteinele de reglare stimulatoare (GS) și inhibitoare de reglare (I), a fost identificată o proteină suplimentară, transducina.
Rolul proteinelor reglatoare în transmiterea semnalelor hormonale este mare; structura acestor proteine este comparată cu o „casetă”, iar diversitatea răspunsului este asociată cu mobilitatea ridicată a proteinei reglatoare. Astfel, unii hormoni se pot activa simultan grade diferite atât Gs cât și Gi. Mai mult, interacțiunea unor hormoni cu proteinele reglatoare ale receptorilor determină exprimarea proteinelor corespunzătoare care reglează nivelul și gradul răspunsului hormonal. Activarea, așa cum se arată mai sus, a proteinelor reglatoare este o consecință a disocierii lor de complexul receptor hormonal. În unele sisteme de receptori, această interacțiune implică până la 20 sau mai multe proteine reglatoare, care, pe lângă stimularea formării cAMP, activează simultan. canale de calciu.
Un anumit număr de receptori care aparțin primului grup, având 7 fragmente transmembranare, mediază acțiunea acestora prin mesageri secundari legați de derivații de fosfatidilinozitol: inozitol trifosfat și diacilglicerol. Trifosfatul de inozitol controlează procesele celulare prin generarea de calciu intracelular. Acest sistem mesager poate fi activat în două moduri, și anume prin proteine de reglare sau proteine fosfotirozină. În ambele cazuri, fosfolipaza C este activată în continuare, care hidrolizează sistemul polifosfoinozide. Acest sistem, așa cum sa menționat mai sus, include doi mesageri secundari intracelulari care sunt formați dintr-o polifosfoinozidă membranară numită fosfatidilinozitol-4,5-bisfosfat (PIF2). Complexarea hormonului cu receptorul determină hidroliza fosforilazei PIF2, ducând la formarea mesagerilor indicați - inozitol trifosfat (IP3) și diacilglicerol. IP3 favorizează o creștere a nivelului de calciu intracelular, în primul rând datorită mobilizării acestuia din urmă din reticulul endoplasmatic, unde este localizat în așa-numiții calciozomi, iar apoi datorită pătrunderii calciului extracelular în celulă. Diacilglicerolul, la rândul său, activează proteine kinaze specifice și, în special, protein kinaza C. Aceasta din urmă fosforilează anumite enzime responsabile de efectul biologic final. Este posibil ca distrugerea FIF2, împreună cu eliberarea a doi mesageri și o creștere a conținutului de calciu intracelular, să inducă și formarea de prostaglandine, care sunt potențiali stimulatori ai cAMP.
Acest sistem mediază acțiunea unor hormoni precum histamina, serotonina, prostaglandinele, vasopresina, colecistochinina, somatoliberina, hormonul de eliberare a tirotropinei, oxitocina, hormonul paratiroidian, neuropeptida Y, substanța P, angiotensina II, catecolaminele care acționează prin receptorii α1-adrenergici etc.
Grupul de enzime fosfolipaze C include până la 16 izoforme, care la rândul lor sunt împărțite în b-, g- și d-fosfolipaza C. S-a demonstrat că b-fosfolipaza C interacționează cu proteinele reglatoare, iar g-fosfolipaza C cu tirozin kinazele .
Trifosfatul de inozitol acționează prin receptorii tetramerici specifici, cu o greutate moleculară de 4x313 kDa. După complexarea cu un astfel de receptor, au fost identificați așa-numiții receptori de trifosfat de inozitol „mari” sau receptori de rianodină, care aparțin și ei tetramerilor și au o greutate moleculară de 4x565 kDa. Este posibil ca canalele de calciu intracelulare ale receptorilor de rianodină să fie reglate de un nou mesager secundar, cADP-riboză (L. Meszaros și colab., 1993). Formarea acestui mesager este mediată de cGMP și oxid nitric (NO), care activează guanilat ciclaza citoplasmatică. Astfel, oxidul nitric poate reprezenta unul dintre elementele în transmiterea acțiunii hormonale cu participarea ionilor de calciu.
După cum se știe, calciul se găsește în interiorul celulei într-o stare legată de proteine și în liber de laîn lichidul extracelular. Au fost identificate proteine intracelulare care leagă calciul, cum ar fi calreticulina și calsequestrina. Calciul liber intracelular, care acționează ca un al doilea mesager, provine din fluidul extracelular prin canalele de calciu din membrana plasmatică celulară sau este eliberat intracelular din legarea proteinelor. Calciul liber intracelular afectează fosforilaz kinazele corespunzătoare numai atunci când este legat de proteina intracelulară calmodulină (Schema 3).
Schema 3. Mecanismul de acțiune al hormonilor proteici prin CA2+ (explicații în text) P – receptor; G – hormon; Ca+proteina este calciu intracelular sub formă legată de proteine.
Calmodulina, o proteină receptoră cu afinitate mare pentru calciu, constă din 148 de resturi de aminoacizi și este prezentă în toate celulele nucleate. Greutatea sa moleculară (mol.m.) este de 17.000 kDa, fiecare moleculă având 4 receptori pentru legarea calciului.
In stare de repaus functional, concentratia de calciu liber in lichidul extracelular este mai mare decat in interiorul celulei, datorita functionarii pompei de calciu (ATPaza) si transportului calciului din celula in lichidul intercelular. În această perioadă, calmodulina este într-o formă inactivă. Complexarea hormonului cu receptorul duce la o creștere a nivelului intracelular de calciu liber, care se leagă de calmodulină, o transformă într-o formă activă și afectează proteinele sau enzimele sensibile la calciu responsabile de efectul biologic corespunzător al hormonului.
Nivelul crescut de calciu intracelular stimulează apoi pompa de calciu, care „pompează” calciul liber în lichidul intercelular, își reduce nivelul în celulă, drept urmare calmodulina devine inactivă și starea de odihnă funcțională este restabilită în celulă. Calmodulina afectează, de asemenea, adenilat ciclaza, guanilat ciclaza, fosfodiesteraza, fosforilază kinaza, miozin kinaza, fosfolipaza A2, Ca2+- și Mg2+-ATPaza, stimulează eliberarea de neurotransmițători, fosforilarea proteinelor membranei. Prin modificarea transportului de calciu, a nivelului și activității nucleotidelor ciclice și indirect a metabolismului glicogenului, calmodulina este implicată în procesele secretoare și în alte procese funcționale care au loc în celulă. Este o componentă dinamică a aparatului mitotic, reglează polimerizarea sistemului microtubular-vilos, sinteza actomiozinei și activarea membranelor „pompei” de calciu. Calmodulină - analog proteine musculare troponina C, care, prin legarea calciului, formează un complex de actină și miozină și, de asemenea, activează miozin ATPaza, care este necesară pentru interacțiunea repetată a actinei și miozinei.
Complexul Ca2+-calmodulină activează protein kinaza dependentă de Ca2+-calmodulină, care joacă un rol important în transmiterea semnalului nervos (sinteza și eliberarea neurotransmițătorilor), în stimularea sau inhibarea fosfolipazei A2 și activează o specifică serin-treonin protein fosfatază numită calcineurină, care mediază acțiunea receptorului celulelor T în limfocitele T.
Protein kinazele dependente de calmodulină sunt împărțite în două grupe: multifuncționale, care sunt bine caracterizate și specifice, sau „scop special”. Primul grup le include pe cele precum protein kinaza A, care mediază fosforilarea multor proteine intracelulare. Protein kinazele „cu scop special” fosforilează unele substraturi, cum ar fi kinaza cu lanț ușor de miozină, kinaza fosforilază etc.
Protein kinaza C este reprezentată de mai multe izoforme (gr. mol. de la 67 la 83 kDa), care sunt codificate de 10 gene diferite. Protein kinaza C clasică include 4 izoforme diferite (izoforme a-, b1-, b2- şi g-); Alte 4 izoforme proteice (delta, - epsilon, - pi și omega) și 2 forme proteice atipice.
Protein kinazele clasice sunt activate de calciu și diacilglicerol, noile proteine kinaze de diacilglicerol și esterii de forbol, iar una dintre proteine kinazele atipice nu răspunde la niciunul dintre acești activatori, dar necesită prezența fosfatidilserinei pentru activitatea sa.
S-a remarcat mai sus că hormonii, ai căror receptori au 7 fragmente transmembranare, după formarea complexului hormon-receptor se leagă de proteinele G, care au o greutate moleculară mică (20-25 kDa) și efectuează functie diferita. Proteinele care interacționează cu receptorul tirozin kinaza sunt numite proteine ras, iar proteinele implicate în transportul veziculelor sunt numite proteine rab. Forma activată este o proteină G complexată cu GTP; forma inactivă a proteinei ras este o consecință a complexării acesteia cu GDP. Proteina care eliberează nucleotid de guanină este implicată în activarea proteinei ras, iar procesul de inactivare este realizat prin hidroliza GTP sub influența GTPazei. Activarea proteinei ras, la rândul ei, prin fosfolipaza C stimulează formarea de mesageri secundari: inozitol trifosfat și diacilglicerol. Proteinele Ras au fost descrise pentru prima dată ca oncogene (A.G. Gilman, 1987), deoarece exprimarea crescută sau mutația acestor proteine a fost detectată în neoplasmele maligne. În mod normal, proteinele ras sunt implicate în diferite procese de reglare, inclusiv în creștere.
Unii hormoni proteici (insulina, IGF I etc.) isi desfasoara actiunea initiala de activare a receptorului printr-o tirozin kinaza sensibila la hormoni. Legarea hormonului de receptor duce la modificări conformaționale sau dimerizare, care determină activarea tirozin kinazei și autofosforilarea ulterioară a receptorului. După interacțiunea receptorilor hormonali, autofosforilarea îmbunătățește atât activitatea tirozin kinazei în celălalt dimer, cât și fosforilarea substraturilor intracelulare. Receptorul tirozin kinaza este o enzimă alosterică în care domeniul extracelular este subunitatea reglatoare, iar domeniul intracelular (citoplasmatic) este subunitatea catalitică. Activarea sau fosforilarea tirozin kinazei are loc prin legarea la un adaptor sau proteină SH2, constând din două domenii SH2 și un domeniu SH3. Domeniile SH2 leagă fosfotirozinele receptorului specific tirozin kinază, iar domeniile SH3 leagă enzimele sau moleculele de semnalizare. Proteinele fosforilate (fosfotirozinele) sunt scurtate de 4 aminoacizi, ceea ce determină legarea lor specifică de mare afinitate la domeniile SH2.
Complexele (peptide fosfotirozină – domeniile SH2) determină selectivitatea transmiterii semnalului hormonal. Efectul final al transmiterii semnalului hormonal depinde de două reacții - fosforilare și defosforilare. Prima reacție este sub controlul diferitelor tirozin kinaze, a doua - fosfotirozin fosfataze. Până în prezent, au fost identificate peste 10 fosfotirozin fosfataze transmembranare, care sunt împărțite în 2 grupe: a) proteine transmembranare mari/domenii tendințe și b) enzime intracelulare mici cu un singur domeniu catalitic.
Fragmentele intracelulare de fosfotirozin fosfataze sunt foarte diverse. Funcția fosfotirozin fosfatazelor din domeniul SH2 (tipurile I și II) este considerată a fi de a reduce semnalul prin defosforilarea situsurilor de fosforilare de pe receptorul tirozin kinazei sau de a spori semnalul prin legarea proteinelor de semnalizare fosforilante ale tirozinei pe unul sau ambele domenii SH2, precum și transducția semnalului prin interacțiunea unei proteine SH2 cu o altă proteină sau inactivarea prin procesul de defosforilare a moleculelor mesager secundare fosforilate cu tirozină, cum ar fi fosfolipaza C-g sau src-tirozin kinaza.
La unii hormoni, transmiterea semnalului hormonal se realizează prin fosforilarea reziduurilor de aminoacizi tirozină, precum și serină sau treonina. Caracteristic în acest sens este receptorul de insulină, în care se poate produce fosforilarea atât a tirozinei, cât și a serinei, iar fosforilarea serinei este însoțită de o scădere a efectului biologic al insulinei. Semnificația funcțională a fosforilării simultane a mai multor resturi de aminoacizi ale receptorului tirozin kinazei nu este complet clară. Cu toate acestea, acest lucru realizează modularea semnalului hormonal, care este denumit în mod schematic al doilea nivel al mecanismelor de semnalizare a receptorilor. Acest nivel se caracterizează prin activarea mai multor proteine kinaze și fosfataze (cum ar fi protein kinaza C, protein kinaza dependentă de cAMP, protein kinaza dependentă de cGMP, protein kinaza dependentă de calmodulină etc.), care efectuează fosforilarea sau defosforilarea serinei, reziduuri de tirozină sau treonină, care provoacă modificări conformaționale corespunzătoare, necesare manifestării activității biologice.
Trebuie remarcat faptul că enzimele precum fosforilaza, kinaza, cazein kinaza II, acetil-CoA carboxilază kinaza, triglicerid lipaza, glicogen fosforilaza, proteina fosfataza I, ATP citrat liaza sunt activate prin procesul de fosforilare și glicogenaza și dehidrogenaza și sintetaza. piruvat kinazele sunt activate prin procesul de defosforilare.
Al treilea nivel al mecanismelor de semnalizare reglatoare în acțiunea hormonilor se caracterizează printr-un răspuns corespunzător la nivel celular și se manifestă prin modificări ale metabolismului, biosintezei, secreției, creșterii sau diferențierii. Aceasta include procesele de transport al diferitelor substanțe prin membrana celulară, sinteza proteinelor, stimularea translației ribozomale, activarea sistemului tubular microvilos și translocarea granulelor secretoare în membrana celulară. Astfel, activarea transportului de aminoacizi și glucoză prin membrana celulară este efectuată de proteinele transportoare corespunzătoare la 5-15 minute după debutul acțiunii hormonilor precum hormonul de creștere și insulina. Există 5 proteine transportoare pentru aminoacizi și 7 pentru glucoză, dintre care 2 aparțin simportorilor sau cotransportatorilor sodiu-glucoză.
Mesagerii secundari hormonali influențează expresia genelor prin modificarea proceselor de transcripție. Astfel, cAMP reglează rata de transcripție a unui număr de gene responsabile de sinteza hormonilor. Această acțiune este mediată de proteina activatoare a elementului de răspuns cAMP (CREB). Ultima proteină (CREB) se complecţionează cu regiuni specifice ale ADN-ului, fiind un factor general de transcripţie.
Mulți hormoni care interacționează cu receptorii localizați pe membrana plasmatică, după formarea unui complex hormon-receptor, suferă un proces de internalizare, sau endocitoză, adică. translocarea sau transferul complexului hormon-receptor în celulă. Acest proces are loc în structuri numite „gropi acoperite”, situate pe suprafața interioară a membranei celulare, căptușite cu proteina clatrină. Complexele hormono-receptoare agregate în acest fel, care sunt localizate în „gropi acoperite”, sunt apoi interiorizate prin invaginarea membranei celulare (un mecanism foarte asemănător cu procesul de fagocitoză), transformându-se în vezicule (endozomi sau receptozomi) și acestea din urmă sunt translocate în celulă.
În timpul translocației, endozomul suferă un proces de acidificare (similar cu ceea ce se întâmplă în lizozomi), care poate avea ca rezultat degradarea ligandului (hormonului) sau disocierea complexului hormon-receptor. În acest din urmă caz, receptorul eliberat este returnat la membrana celulară, unde re-interacționează cu hormonul. Procesul de imersare a receptorului împreună cu hormonul în celulă și întoarcerea receptorului la membrana celulară se numește proces de reciclare a receptorului. În timpul perioadei de funcționare a receptorului (timpul de înjumătățire al receptorului variază de la câteva la 24 de ore sau mai mult), acesta reușește să efectueze de la 50 la 150 de astfel de cicluri „navetă”. Procesul de endocitoză este o parte integrală sau suplimentară a mecanismului de semnalizare a receptorului în acțiunea hormonilor.
În plus, prin procesul de internalizare, hormonii proteici sunt degradați (în lizozomi) și desensibilizarea celulară (sensibilitatea celulară redusă la hormon) prin reducerea numărului de receptori de pe membrana celulară. S-a stabilit că soarta complexului hormon-receptor după procesul de endocitoză este diferită. Pentru majoritatea hormonilor (FSH, LH, gonadotropina corionica umana, insulina, IGF 1 si 2, glucagon, somatostatina, eritropoietina, VIP, lipoproteine cu densitate joasa), endozomii din interiorul celulei sufera disocieri. Receptorul eliberat revine în membrana celulară, iar hormonul suferă un proces de degradare în aparatul lizozomal al celulei.
Pentru alți hormoni (GH, interleukina-2, factori de creștere epidermici, nervoși și plachetari), după disociarea endozomilor, receptorul și hormonul corespunzător suferă un proces de degradare în lizozomi.
Unii hormoni (transferină, proteine care conțin manoză-6-fosfat și o mică parte de insulină, GH în unele țesuturi țintă) după disocierea endozomilor revin, ca și receptorii lor, în membrana celulară. În ciuda faptului că hormonii enumerați sunt supuși unui proces de internalizare, nu există un consens cu privire la acțiunea intracelulară directă a hormonului proteic sau a complexului său hormon-receptor.
Receptorii pentru hormonii suprarenali, hormonii sexuali, calcitriolul, acidul retinoic și hormonii tiroidieni sunt localizați intracelular. Hormonii enumerați sunt lipofili, transportați de proteinele din sânge și au o perioadă lungă timpii de înjumătățire și acțiunea lor sunt mediate de un complex hormon-receptor, care, prin legarea de anumite regiuni ale ADN-ului, activează sau inactivează anumite gene.
Legarea unui hormon de un receptor duce la modificări ale proprietăților fizico-chimice ale acestuia din urmă, iar acest proces se numește activare sau transformare a receptorului. Un studiu al transformării receptorilor in vitro a arătat că condițiile de temperatură, prezența heparinei, ATP și a altor componente în mediul de incubare modifică viteza acestui proces.
Receptorii netransformați sunt o proteină cu o masă moleculară de 90 kDa, care este identică cu proteina de șoc de stres sau temperatură cu aceeași masă moleculară (M. Catell și colab., 1985). Ultima proteină se găsește în izoformele a și b, care sunt codificate de diferite gene. O situație similară se observă în ceea ce privește hormonii steroizi.
Pe lângă proteina de stres cu mol. m. 90 kDa, o proteină cu mol. m. 59 kDa (M. Lebean et al., 1992), numită imunofilină, care nu este direct asociată cu receptorul hormonului steroidian, dar formează complexe cu proteina mol. m. 90 kDa. Funcția proteinei imunofilinei nu este bine înțeleasă, deși rolul acesteia în reglarea funcției receptorului hormonilor steroizi a fost dovedit, deoarece leagă substanțele imunosupresoare (de exemplu, rapamicina și FK 506).
Hormonii steroizi sunt transportați în sânge într-o stare legată de proteine și doar o mică parte din ei este în formă liberă. Hormonul, care este în formă liberă, este capabil să interacționeze cu membrana celulară și să treacă prin ea în citoplasmă, unde se leagă de un receptor citoplasmatic, care este foarte specific. De exemplu, proteinele receptorului care leagă numai hormonii glucocorticoizi sau estrogenii au fost izolate din hepatocite. În prezent, au fost identificați receptori pentru estradiol, androgeni, progesteron, glucocorticoizi, mineralocorticoizi, vitamina D, hormoni tiroidieni, precum și pentru acid retinoic și alți compuși (receptor edikson, receptor de dioxină, receptor activator proliferativ peroxizom și receptor suplimentar X pentru acid retinoic). ). Concentrația de receptori în țesuturile țintă corespunzătoare este de 103 până la 5 104 per celulă.
Receptorii pentru hormoni steroizi au 4 domenii: domeniul amino-terminal, care prezintă diferențe semnificative în receptorii pentru hormonii enumerați și este format din 100-600 de resturi de aminoacizi; domeniul de legare la ADN, constând din aproximativ 70 de resturi de aminoacizi; un domeniu de legare a hormonilor de aproximativ 250 de aminoacizi și un domeniu carboxil-terminal. După cum sa menționat, domeniul amino-terminal are cele mai mari diferențe atât în formă, cât și în secvența de aminoacizi. Este format din 100-600 de aminoacizi, iar dimensiunea sa cea mai mică se găsește în receptorul hormonilor tiroidieni, iar dimensiunea sa cea mai mare se găsește în receptorul hormonului glucocorticoid. Acest domeniu determină caracteristicile răspunsului receptor și la majoritatea speciilor este foarte fosforilat, deși nu există o corelație directă între gradul de fosforilare și răspunsul biologic.
Domeniul de legare la ADN este caracterizat de 3 introni, dintre care doi au așa-numitele „degete de zinc”, sau structuri care conțin ioni de zinc cu 4 punți de cisteină. „Degetele de zinc” sunt implicate în legarea specifică a hormonului de ADN. . Domeniul de legare a ADN-ului conține o regiune mică pentru legarea specifică a receptorilor nucleari, numită „elemente de răspuns hormonal”, care modulează inițierea transcripției. Această regiune este situată în interiorul unui alt fragment de 250 de nucleotide responsabile de inițierea transcripției. Domeniul de legare la ADN are cea mai mare stabilitate structurală dintre toți receptorii intracelulari.
Domeniul de legare a hormonilor este implicat în legarea hormonilor, precum și în procesele de dimerizare și reglare a funcției altor domenii. Este direct adiacent domeniului de legare a ADN-ului.
Domeniul carboxil-terminal este, de asemenea, implicat în procesele de heterodimerizare și interacționează cu diverși factori de transcripție, incluzând promotorii proteici proximali.
Odată cu aceasta, există dovezi că steroizii sunt legați mai întâi de proteine specifice ale membranei celulare, care îi transportă la receptorul citoplasmatic sau, ocolindu-l, direct la receptorii nucleari. Receptorul citoplasmatic este format din două subunități. În nucleul celulei, subunitatea A, interacționând cu ADN-ul, declanșează (începe) procesul de transcripție, iar subunitatea B se leagă de proteinele non-histone. Efectul hormonilor steroizi nu apare imediat, ci după un anumit timp, care este necesar pentru formarea ARN-ului și sinteza ulterioară a unei anumite proteine.
Hormonii tiroidieni (tiroxina-T4 și triiodotironina-T3), ca și hormonii steroizi, difuzează ușor prin membrana celulelor lipidice și sunt legați de proteine intracelulare. Conform altor date, hormonii tiroidieni interacționează mai întâi cu receptorul de pe membrana plasmatică, unde se complexează cu proteinele, formând așa-numitul bazin intracelular de hormoni tiroidieni. Acțiunea biologică este efectuată în principal de T3, în timp ce T4 este deiodat la T3, care se leagă de un receptor citoplasmatic. Dacă complexul citoplasmatic steroidian este translocat în nucleul celulei, complexul citoplasmatic tiroidian se disociază mai întâi și T3 este legat direct de receptorii nucleari care au afinitate mare pentru el. În plus, receptorii T3 cu afinitate mare se găsesc și în mitocondrii. Se crede că efectul calorigen al hormonilor tiroidieni are loc în mitocondrii prin generarea de ATP nou, a cărui formare utilizează adenozin difosfat (ADP).
Hormonii tiroidieni reglează sinteza proteinelor la nivel transcripțional și acest efect, detectabil după 12-24 de ore, poate fi blocat prin introducerea inhibitorilor sintezei ARN. Pe lângă acțiunea intracelulară, hormonii tiroidieni stimulează transportul glucozei și aminoacizilor prin membrana celulară, afectând direct activitatea unor enzime localizate în aceasta.
Astfel, efectul specific al hormonului apare numai după ce acesta este complexat cu receptorul corespunzător. Ca urmare a proceselor de recunoaștere, complexare și activare a receptorului, acesta din urmă generează o serie de mesageri secundari care determină un lanț secvenţial de interacţiuni post-receptoare, care se termină cu manifestarea efectului biologic specific al hormonului.
Rezultă că efectul biologic al hormonului depinde nu numai de conținutul său în sânge, ci și de numărul și starea funcțională a receptorilor, precum și de nivelul de funcționare a mecanismului post-receptor.
Numărul de receptori celulari, ca și alte componente celulare, este în continuă schimbare, reflectând procesele de sinteză și degradare a acestora. Principalul rol în reglarea numărului de receptori revine hormonilor. Există o relație inversă între nivelul de hormoni din lichidul intercelular și numărul de receptori. De exemplu, concentrația hormonului în sânge și fluidul intercelular este foarte scăzută și se ridică la 1014-109 M, care este semnificativ mai mică decât concentrația de aminoacizi și alte peptide diferite (105-103 M). Numărul de receptori este mai mare și se ridică la 1010-108 M, cu aproximativ 1014-1010 M pe membrana plasmatică, iar nivelul intracelular al mesagerii secundari este puțin mai mare - 108-106 M. Numărul absolut de situsuri de receptor de pe celulă membrana variază de la câteva sute la 100.000.
Numeroase studii au arătat că receptorii au proprietatea caracteristică de a îmbunătăți acțiunea unui hormon nu numai prin mecanismele descrise, ci și prin așa-numita „legare neliniară”. O altă trăsătură caracteristică este că cel mai mare efect hormonal nu înseamnă cea mai mare legare a hormonului de receptori. De exemplu, stimularea maximă a transportului de glucoză în adipocite de către insulină este observată atunci când hormonul leagă doar 2% din receptorii de insulină (J. Gliemann et al., 1975). Aceleași relații au fost stabilite pentru ACTH, gonadotropine și alți hormoni (M.L. Dufau și colab., 1988). Acest lucru se explică prin două fenomene: „legarea neliniară” și prezența așa-numiților „receptori de rezervă”. Într-un fel sau altul, dar amplificarea, sau întărirea acțiunii hormonului, care este o consecință a acestor două fenomene, realizează un important rol fiziologicîn procesele de acţiune biologică a hormonului în condiţii normale şi în diverse stări patologice. De exemplu, cu hiperinsulinism și obezitate, numărul receptorilor de insulină localizați pe hepatocite, adipocite, timocite, monocite scade cu 50-60% și, dimpotrivă, deficitul de insulină la animale este însoțit de o creștere a numărului de receptori de insulină. Odată cu numărul de receptori de insulină, se modifică și afinitatea acestora, adică. capacitatea de a se complexa cu insulina, iar transducția (transmiterea) semnalului hormonal în interiorul receptorului se modifică, de asemenea. Astfel, modificările sensibilității organelor și țesuturilor la hormoni sunt efectuate prin mecanisme de feedback (reglare în jos). Condițiile însoțite de o concentrație mare a hormonului în sânge se caracterizează printr-o scădere a numărului de receptori, care se manifestă clinic ca rezistență la acest hormon.
Unii hormoni pot influența nu numai numărul „propriilor” receptori, ci și al receptorilor pentru alt hormon. Astfel, progesteronul reduce, iar estrogenii cresc, numărul de receptori atât pentru estrogen, cât și pentru progesteron.
O scădere a sensibilității la un hormon se poate datora următoarelor mecanisme: 1) o scădere a afinității receptorilor datorită influenței altor hormoni și a complexelor receptorilor hormonali; 2) o scădere a numărului de receptori funcționali ca urmare a internalizării sau eliberării lor din membrană în spațiul extracelular; 3) inactivarea receptorului din cauza modificărilor conformaţionale; 4) distrugerea receptorilor prin creșterea activității proteazelor sau degradarea complexului hormon-receptor sub influența enzimelor lizozomale; 5) inhibarea sintezei de noi receptori.
Pentru fiecare tip de hormon există agonişti şi antagonişti. Acestea din urmă sunt substanțe care pot lega competitiv receptorul hormonal, reducând sau blocând complet efectul biologic al acestuia. Agoniștii, dimpotrivă, atunci când sunt complexați cu receptorul corespunzător, sporesc efectul hormonului sau imită complet prezența acestuia și, uneori, timpul de înjumătățire al agonistului este de sute sau mai multe ori mai mare decât timpul de degradare al hormonului natural și , prin urmare, în acest timp apare efectul biologic, care este folosit în mod natural în scopuri clinice. De exemplu, agoniştii glucocorticoizi sunt dexametazona, corticosteronul, aldosteronul, iar agoniştii parţiali sunt 11b-hidroxiprogesteron, 17a-hidroxiprogesteron, progesteron, 21-deoxicortizol, iar antagoniştii lor sunt testosteronul, 19-nortestosteronul, 19-nortestosteronul. Steroizii inactivi la receptorii de glucocorticoizi includ 11a-hidroxiprogesteron, tetrahidrocortizol, androstenedionă, 11a-, 17a-metiltestosteron. Aceste relații sunt luate în considerare nu numai în experimente atunci când se clarifică acțiunea hormonilor, ci și în practica clinică.
Descifrarea mecanismelor de acțiune a hormonilor la animale oferă o oportunitate de a înțelege mai bine procesele fiziologice - reglarea metabolismului, biosinteza proteinelor, creșterea și diferențierea țesuturilor.
Acest lucru este important și din punct de vedere practic, în legătură cu utilizarea din ce în ce mai răspândită a produselor naturale și sintetice. medicamente hormonale in zootehnie si medicina veterinara.
În prezent, există aproximativ 100 de hormoni care se formează în glandele endocrine, intră în sânge și au un efect divers asupra metabolismului în celule, țesuturi și organe. Este dificil de identificat procesele fiziologice din organism care nu se află sub influența reglatoare a hormonilor. Spre deosebire de multe enzime care provoacă modificări individuale, strict vizate în organism, hormonii au efecte multiple asupra proceselor metabolice și a altor funcții fiziologice. În același timp, niciunul dintre hormoni, de regulă, nu oferă complet reglare funcții individuale. Acest lucru necesită acțiunea unui număr de hormoni într-o anumită secvență și interacțiune. De exemplu, somatotropina stimulează procesele de creștere numai cu participarea activă a insulinei și hormonilor tiroidieni. Creșterea foliculilor este asigurată în principal de folitropină, iar maturizarea lor și procesul de ovulație sunt efectuate sub influența reglatoare a lutropinei etc.
Majoritatea hormonilor din sânge sunt legați de albumine sau globuline, ceea ce îi protejează de distrugerea rapidă de către enzime și menține concentrațiile metabolice optime. hormoni activiîn celule și țesuturi. Hormonii au un efect direct asupra procesului de biosinteză a proteinelor. Hormonii steroizi și proteici (hormoni sexuali, hormoni hipofizari tripli) din țesuturile țintă provoacă o creștere a numărului și volumului de celule. Alți hormoni, cum ar fi insulina, gluco- și mineralocorticoizii, afectează indirect sinteza proteinelor.
Primul link actiune fiziologica Hormonii din organismul animal sunt receptori membranari celulari. În aceleași celule există cantitati mari Mai multe tipuri; receptori specifici, cu ajutorul cărora leagă selectiv moleculele diverșilor hormoni care circulă în sânge. De exemplu, celule graseîn membranele lor au receptori specifici pentru glucagon, lutropină, tirotropină, corticotropină.
Majoritatea hormonilor de natură proteică, datorită dimensiunii mari a moleculelor lor, nu pot pătrunde în celule, ci sunt localizați la suprafața acestora și, interacționând cu receptorii corespunzători, afectează metabolismul din interiorul celulelor. Astfel, în special, efectul tirotropinei este asociat cu fixarea moleculelor sale pe suprafața celulelor tiroidiene, sub influența căreia crește permeabilitatea membranelor celulare la ionii de sodiu, iar în prezența acestora crește intensitatea oxidării glucozei. Insulina crește permeabilitatea membranelor celulare din țesuturi și organe pentru moleculele de glucoză, ceea ce ajută la reducerea concentrației sale în sânge și transferul în țesuturi. Somatotropina are, de asemenea, un efect stimulator asupra sintezei acizilor nucleici și proteinelor prin acțiunea asupra membranelor celulare.
Aceiași hormoni pot influența procesele metaboliceîn celulele tisulare în diverse moduri. Odată cu modificarea permeabilității membranele celulareși membranele structurilor intracelulare pentru diferite enzime și alte substanțe chimice, sub influența acelorași hormoni se poate modifica compoziția ionică a mediului în exterior și în interiorul celulelor, precum și activitatea diferitelor enzime și intensitatea proceselor metabolice.
Hormonii influențează activitatea enzimelor și aparatul genic al celulelor nu direct, ci cu ajutorul mediatorilor (intermediari). Unul dintre acești mediatori este 3′, 5′-adenozin monofosfat ciclic (AMP ciclic). AMP ciclic (cAMP) se formează în interiorul celulelor din acidul adenozin trifosforic (ATP) cu participarea enzimei adenil ciclază situată pe membrana celulară, care este activată atunci când este expusă la hormonii corespunzători. Pe membranele intracelulare există o enzimă fosfodiesteraza, care transformă AMPc într-o substanță mai puțin activă - 5′-adenozin monofosfat și, prin urmare, oprește efectul hormonului.
Când o celulă este expusă la mai mulți hormoni care stimulează sinteza cAMP în ea, reacția este catalizată de aceeași adenil ciclază, dar receptorii din membranele celulare pentru acești hormoni sunt strict specifici. Prin urmare, de exemplu, corticotropina afectează numai celulele cortexului suprarenal, iar tirotropina afectează celulele glandei tiroide etc.
Studii detaliate au arătat că acțiunea majorității hormonilor proteici și peptidici duce la stimularea activității adenilciclazei și la o creștere a concentrației de cAMP în celulele țintă, care este asociată cu transmiterea ulterioară a informațiilor. efecte hormonale cu participarea activă a unui număr de protein kinaze. cAMP joacă rolul de mediator intracelular al hormonului, asigurând o creștere a activității protein kinazelor dependente de acesta în citoplasmă și nuclee ale celulelor. La rândul lor, protein kinazele dependente de cAMP catalizează fosforilarea proteinelor ribozomale, care este direct legată de reglarea sintezei proteinelor în celulele țintă sub influența hormonilor peptidici.
Hormonii steroizi, catecolaminele și hormonii tiroidieni, datorită dimensiunilor lor moleculare mici, trec prin membrana celulară și interacționează cu receptorii citoplasmatici din interiorul celulelor. Mai departe hormoni steroiziîn combinație cu receptorii lor, care sunt proteine acide, trec în nucleul celulei. Se presupune că hormonii peptidici, pe măsură ce complexele hormon-receptor sunt divizate, acționează și asupra receptorilor specifici din citoplasmă, complexul Golgi și membrana nucleară.
Nu toți hormonii stimulează activitatea enzimei adenil ciclază și o creștere a concentrației acesteia în celule. Unii hormoni peptidici, în special insulina, ocitocina, calcitonina, au un efect inhibitor asupra adenilciclazei. Se crede că efectul fiziologic al acțiunii lor se datorează nu creșterii concentrației de cAMP, ci scăderii acestuia. În același timp, în celulele care au sensibilitate specifică la hormonii menționați, crește concentrația unei alte nucleotide ciclice, guanozin monofosfat ciclic (cGMP). Rezultatul acțiunii hormonilor în celulele corpului depinde în cele din urmă de influența ambelor nucleotide ciclice - cAMP și cGMP, care sunt mediatori intracelulari universali - intermediari hormonali. În ceea ce privește acțiunea hormonilor steroizi, care, în combinație cu receptorii lor, pătrund în nucleul celular, rolul cAMP și cGMP ca mediatori intracelulari este considerat discutabil.
Mulți, dacă nu toți, hormoni sunt finiți efect fiziologic se manifestă indirect – prin modificări ale biosintezei proteinelor enzimatice. Biosinteza proteinelor este un proces complex în mai multe etape, realizat cu participarea activă a aparatului genic al celulei.
Efectul reglator al hormonilor asupra biosintezei proteinelor se realizează în principal prin stimularea reacției ARN polimerazei cu formarea de tipuri de ARN ribozomal și nuclear, precum și ARN mesager și prin influențarea activității funcționale a ribozomilor și a altor părți ale metabolismului proteic. Protein kinazele specifice din nucleii celulari stimulează fosforilarea componentelor proteice corespunzătoare și reacția ARN polimerazei cu formarea de ARN mesager care codifică sinteza proteinelor în celule și organe țintă. În același timp, în nucleele celulelor, genele sunt dereprimate, care sunt eliberate de efectul inhibitor al unor represori specifici - proteinele histonelor nucleare.
Hormonii precum estrogenii și androgenii din nucleele celulelor se leagă de proteinele histonice care reprimă genele corespunzătoare și, prin urmare, aduc aparatul genetic al celulelor în stare activă. stare functionala. În același timp, androgenii influențează aparatul genetic al celulelor mai puțin decât estrogenii, ceea ce se datorează unei conexiuni mai active a acestora din urmă cu cromatina și o slăbire a sintezei ARN în nuclee.
Odată cu activarea sintezei proteinelor în celule, are loc formarea proteinelor histonice, care sunt represoare ale activității genelor, iar acest lucru împiedică funcțiile metabolice ale nucleelor și stimularea excesivă a creșterii. În consecință, nucleii celulari au propriul lor mecanism de reglare genetică și mitotică a metabolismului și creșterii.
Datorită influenței hormonilor asupra proceselor anabolice din organism, retenția crește nutrienți hrana și, în consecință, cantitatea de substraturi pentru metabolismul interstițial crește, mecanismele de reglare a proceselor biochimice asociate cu mai mult utilizare eficientă compuși azotați și alți compuși.
Procesele de sinteză a proteinelor în celule sunt influențate de somatotropină, corticosteroizi, estrogeni și tiroxină. Acești hormoni stimulează sinteza diverșilor ARN mesageri și, prin urmare, îmbunătățesc sinteza proteinelor corespunzătoare. În procesele de sinteză a proteinelor important aparține și insulinei, care stimulează legarea ARN-ului mesager de ribozomi și, în consecință, activează sinteza proteinelor. Prin activarea aparatului cromozomial al celulelor, hormonii influențează creșterea ratei sintezei proteinelor și a concentrației de enzime în celulele ficatului și în alte organe și țesuturi. Cu toate acestea, mecanismul influenței hormonilor asupra metabolismului intracelular nu a fost încă suficient studiat.
Acțiunea hormonilor, de regulă, este strâns legată de funcțiile enzimelor care asigură procese biochimice în celule, țesuturi și organe. Hormonii sunt implicați în reactii biochimice ca activatori sau inhibitori specifici ai enzimelor, exercitându-şi influenţa asupra enzimelor prin asigurarea legăturii acestora cu diverşi biocoloizi.
Întrucât enzimele sunt corpuri proteice, efectul hormonilor asupra activității lor funcționale se manifestă în primul rând prin influențarea biosintezei enzimelor și a proteinelor coenzimelor catabolice. Una dintre manifestările activității hormonilor este participarea lor la interacțiunea unui număr de enzime în diferite părți ale reacțiilor și proceselor complexe. După cum se știe, vitaminele joacă un anumit rol în construcția coenzimelor. Se crede că hormonii îndeplinesc și o funcție de reglare în aceste procese. De exemplu, corticosteroizii afectează fosforilarea unor vitamine B.
Deosebit de important pentru prostaglandine este activitatea lor fiziologică ridicată și foarte scăzută efect secundar. Acum se știe că prostaglandinele acționează ca mediatori în interiorul celulelor și joacă un rol important în efectul hormonilor. În același timp, sunt activate procesele de sinteză a adenozin monofosfatului ciclic (cAMP), care este capabil să transmită efectul țintit îngust al hormonilor. Este posibil să presupunem că substanțe farmacologice acţionează în interiorul celulelor prin producerea de prostaglandine specifice. Acum, în multe țări, mecanismul de acțiune al prostaglandinelor este studiat la nivel celular și molecular, deoarece un studiu cuprinzător al acțiunii prostaglandinelor poate face posibilă influențarea specifică a metabolismului și a altor procese fiziologice din corpul animalelor.
Pe baza celor de mai sus, putem concluziona că hormonii au un efect complex și divers în corpul animalelor. Influența complexă a reglării nervoase și umorale asigură cursul coordonat al tuturor biochimice și procese fiziologice. Cu toate acestea, cele mai fine detalii ale mecanismului de acțiune al hormonilor nu au fost încă studiate suficient. Această problemă interesează mulți oameni de știință și prezintă un mare interes pentru teoria și practica endocrinologiei, precum și pentru creșterea animalelor și medicina veterinară.
Hormonii secretați de glandele endocrine se leagă de proteinele de transport plasmatic sau, în unele cazuri, sunt adsorbiți pe celulele sanguine și eliberați în organe și țesuturi, afectând funcția și metabolismul acestora. Unele organe și țesuturi au o sensibilitate foarte mare la hormoni, motiv pentru care sunt numite organe țintă sau tesaturi -tinte. Hormonii afectează literalmente fiecare aspect al metabolismului, funcției și structurii corpului.
Conform idei moderne, actiunea hormonilor se bazeaza pe stimularea sau inhibarea functiei catalitice a anumitor enzime. Acest efect se realizează prin activarea sau inhibarea enzimelor existente în celule prin accelerarea sintezei lor prin activarea genelor. Hormonii pot crește sau scădea permeabilitatea membranelor celulare și subcelulare la enzime și alte substanțe biologic active, facilitând sau inhibând astfel acțiunea enzimei. hormon organism organic fier
Mecanismul diafragmei . Hormonul se leagă de membrana celulară și, la locul de legare, își modifică permeabilitatea la glucoză, aminoacizi și unii ioni. În acest caz, hormonul acționează ca un efector al transportului membranar. Insulina are acest efect prin modificarea transportului de glucoză. Dar acest tip de transport hormonal apare rar sub formă izolată. Insulina, de exemplu, are atât un mecanism de acțiune membranar, cât și membrana-intracelular.
Mecanism membrana-intracelular . Hormonii actioneaza in functie de tipul membranar-intracelular, care nu patrund in celula si deci afecteaza metabolismul printr-un intermediar chimic intracelular. Acestea includ hormoni proteino-peptidici (hormoni ai hipotalamusului, glandei pituitare, pancreasului și glande paratiroide, tirocalcitonina a glandei tiroide); derivați ai aminoacizilor (hormoni ai medulei suprarenale - adrenalina și noradrenalina, ai glandei tiroide - tiroxina, triiodotironina).
Mecanism de acțiune intracelular (citosol). . Este caracteristic hormonilor steroizi (corticosteroizi, hormoni sexuali - androgeni, estrogeni și gestageni). Hormonii steroizi interacționează cu receptorii localizați în citoplasmă. Complexul hormon-receptor rezultat este transferat în nucleu și acționează direct asupra genomului, stimulând sau inhibând activitatea acestuia, adică. acționează asupra sintezei ADN-ului, modificând rata de transcripție și cantitatea de ARN mesager (ARNm). O creștere sau scădere a cantității de ARNm afectează sinteza proteinelor în timpul translației, ceea ce duce la o modificare a activității funcționale a celulei.
În prezent, se disting următoarele opțiuni pentru acțiunea hormonilor:
- hormonale sau hemocrine, acestea. acțiune la o distanță considerabilă de locul de formare;
- izocrină sau locală, când o substanță chimică sintetizată într-o celulă are un efect asupra unei celule situate în contact strâns cu prima, iar eliberarea acestei substanțe se efectuează în fluidul interstițial și în sânge;
- neurocrin sau neuroendocrin (sinaptic și non-sinaptic), o acțiune când un hormon, eliberat din terminațiile nervoase, îndeplinește funcția de neurotransmițător sau neuromodulator, adică. o substanță care modifică (de obicei sporește) acțiunea unui neurotransmițător;
- paracrină- un tip de acțiune izocrină, dar în acest caz hormonul format într-o celulă pătrunde în lichidul intercelular și afectează un număr de celule situate în imediata apropiere;
- juxtacrină– un tip de acțiune paracrină, când hormonul nu pătrunde în lichidul intercelular, iar semnalul este transmis prin membrana plasmatică a unei alte celule situate în apropiere;
- autocrină o acțiune când un hormon eliberat dintr-o celulă afectează aceeași celulă, modificându-i activitatea funcțională;
- solinocrină acțiune când un hormon dintr-o celulă pătrunde în lumenul ductului și ajunge astfel la o altă celulă, afectând-o efect specific(de ex. unii hormoni gastrointestinali).
Sinteza hormonilor proteici, ca și alte proteine, este sub control genetic, iar celulele tipice de mamifere exprimă gene care codifică între 5.000 și 10.000 de proteine diferite și unele celule foarte diferențiate - până la 50.000 de proteine. Toată sinteza proteinelor începe cu transpunerea segmentelor de ADN, apoi transcriere, procesare post-transcripțională, traducere, procesare și modificare post-traduce. Mulți hormoni polipeptidici sunt sintetizați sub formă de precursori mari - prohormoni(proinsulină, proglucagon, proopiomelanocortin etc.). Conversia prohormonilor în hormoni are loc în aparatul Golgi.
- Există două mecanisme principale de acțiune hormonală la nivel celular:
- Realizarea efectului de pe suprafața exterioară a membranei celulare.
- Efectul se realizează după ce hormonul pătrunde în celulă.
1) Realizarea efectului de pe suprafața exterioară a membranei celulare
În acest caz, receptorii sunt localizați pe membrana celulară. Ca rezultat al interacțiunii hormonului cu receptorul, enzima membranară adenilat ciclaza este activată. Această enzimă promovează formarea din acidul adenozin trifosforic (ATP) a celui mai important mediator intracelular al efectelor hormonale - 3,5-adenozin monofosfat ciclic (cAMP). cAMP activează enzima celulară protein kinaza, care realizează acțiunea hormonului. S-a stabilit că adenil-ciclaza dependentă de hormoni este o enzimă comună asupra căreia acţionează diverşi hormoni, în timp ce receptorii hormonali sunt multipli şi specifici fiecărui hormon. Intermediari secundariîn plus față de AMPc, pot exista 3,5-guanozin monofosfat ciclic (cGMP), ioni de calciu, inozitol trifosfat. Așa acționează hormonii peptidici și proteici și derivații de tirozină - catecolaminele. Trăsătură caracteristică Acțiunea acestor hormoni este viteza relativă a răspunsului, care se datorează activării enzimelor deja sintetizate anterior și a altor proteine.
Hormonii își desfășoară acțiunea biologică combinându-se cu receptorii - molecule informaționale care transformă semnalul hormonal în acțiune hormonală. Majoritatea hormonilor interacționează cu receptorii localizați pe membranelor plasmatice celule și alți hormoni - cu receptori localizați intracelular, adică Cu citoplasmaticăȘi nuclear.
Receptorii plasmatici, în funcție de structura lor, sunt împărțiți în:
- sapte fragmente(bucle);
- receptori al căror segment transmembranar este format din un fragment(bucle sau lanțuri);
- receptori al căror segment transmembranar este format din patru fragmente(bucle).
Hormonii al căror receptor este format din șapte fragmente transmembranare includ:
ACTH, TSH, FSH, LH, gonadotropină corionică umană, prostaglandine, gastrină, colecistochinină, neuropeptidă Y, neuromedină K, vasopresină, adrenalină (a-1 și 2, b-1 și 2), acetilcolină (M1, M2, M3 și M4). ), serotonină (1A, 1B, 1C, 2), dopamină (D1 și D2), angiotensină, substanță K, substanță P sau neurokinină tipurile 1, 2 și 3, trombina, interleukina-8, glucagon, calcitonină, secretină, somatoliberină , VIP, peptidă de activare a adenil-ciclazei hipofizare, glutamat (MG1 – MG7), adenină.
Al doilea grup include hormoni care au un fragment transmembranar:
GH, prolactină, insulină, somatomamotropină sau lactogen placentar, IGF-1, factori de creștere a nervilor sau neurotrofine, factor de creștere a hepatocitelor, peptidă natriuretică atrială de tip A, B și C, oncostatina, eritropoietină, factor neurotrofic ciliar, factor inhibitor leucemic, necroză tumorală (p75 și p55), factor de creștere neuronală, interferoni (a, b și g), factor de creștere epidermică, factor de neurodiferențiere, factori de creștere a fibroblastelor, factori de creștere a trombocitelor A și B, factor de stimulare a coloniilor de macrofage, activină, inhibină, interleukine -2, 3, 4, 5, 6 și 7, factor de stimulare a coloniilor granulocite-macrofage, factor de stimulare a coloniilor de granulocite, lipoproteină de joasă densitate, transferină, IGF-2, activator al plasminogenului urokinazei.
Hormonii celui de-al treilea grup, al cărui receptor are patru fragmente transmembranare, includ:
acetilcolina (muschi si nervi nicotinici), serotonina, glicina, acid g-aminobutiric.
Cuplarea receptorului cu sisteme efectoare se realizează prin așa-numita proteină G, a cărei funcție este de a asigura transmiterea repetată a semnalului hormonal la nivelul membranei plasmatice. Proteina G în forma sa activată stimulează sinteza AMP ciclic prin adenilat ciclază, care declanșează un mecanism în cascadă pentru activarea proteinelor intracelulare.
Mecanismul fundamental comun prin care se realizează efectele biologice ale „secunzilor” mesageri în interiorul celulei este procesul fosforilare – defosforilare proteine cu participarea unei game largi de proteine kinaze care catalizează transportul grupului terminal de la ATP la grupele OH ale serinei și treoninei și, în unele cazuri, tirozina proteinelor țintă. Procesul de fosforilare este cea mai importantă modificare chimică post-translațională a moleculelor de proteine, schimbându-le radical atât structura, cât și funcția. În special, provoacă o schimbare proprietăți structurale(asocierea sau disocierea subunităților constitutive), activarea sau inhibarea proprietăților lor catalitice, determinând în final viteza reacțiilor chimice și, în general, activitatea funcțională a celulelor.
Sistemul mesager adenilat ciclază
Cea mai studiată este calea adenilat-ciclazei de transmitere a semnalului hormonal. Acesta implică cel puțin cinci proteine bine studiate:
1)receptorul hormonal;
2)enzima adenilat ciclază, care îndeplinește funcția de sinteză a AMP ciclic (cAMP);
3)proteina G, care comunică între adenilat ciclază și receptor;
4)protein kinaza dependentă de cAMP, catalizarea fosforilării enzimelor intracelulare sau proteinelor țintă, modificându-le în mod corespunzător activitatea;
5)fosfodiesteraza, care provoacă defalcarea cAMP și, prin urmare, oprește (întrerupe) efectul semnalului
S-a demonstrat că legarea hormonului de receptorul β-adrenergic duce la modificări structurale domeniul intracelular al receptorului, care la rândul său asigură interacțiunea receptorului cu a doua proteină a căii de semnalizare, legarea GTP.
proteină care leagă GTP - proteina G– este un amestec de 2 tipuri de proteine:
active G s (din engleză stimulatory G)
inhibitor G i
Fiecare dintre ele conține trei subunități diferite (α-, β- și γ-), adică. aceștia sunt heterotrimeri. S-a demonstrat că subunitățile β G s și Gi sunt identice; în același timp, subunitățile α, care sunt produse ale diferitelor gene, s-au dovedit a fi responsabile pentru manifestarea activității activatoare și inhibitorii de către proteina G. Complexul receptor de hormoni conferă proteinei G capacitatea nu numai de a schimba cu ușurință GDP legat endogen cu GTP, ci și de a transfera proteina G s într-o stare activată, în timp ce proteina G activă se disociază în prezența ionilor de Mg 2+ în β -, subunitățile y și subunitățile complexe α ale G s în forma GTP; acest complex activ se deplasează apoi la molecula de adenil ciclază și o activează. Complexul în sine suferă apoi auto-inactivare din cauza energiei de dezintegrare a GTP și reasociere a subunităților β și γ pentru a forma forma GDP inițială G s .
Retz- receptor; G- proteina G; AC-adenilat ciclaza.
Este o proteină integrală a membranelor plasmatice, centrul său activ este orientat spre citoplasmă și catalizează reacția de sinteză a cAMP din ATP:
Componenta catalitică a adenilat-ciclazei, izolată din diferite țesuturi animale, este reprezentată de o singură polipeptidă. În absența proteinelor G, este practic inactiv. Contine doua grupe SH, dintre care una este implicata in conjugarea cu proteina G s, iar a doua este necesara pentru manifestarea activitatii catalitice.Sub actiunea fosfodiesterazei, cAMP este hidrolizat pentru a forma 5'-AMP inactiv.
Protein kinaza este o enzimă intracelulară prin care AMPc își realizează efectul. Protein kinaza poate exista sub 2 forme. În absența cAMP, protein kinaza este prezentată ca un complex tetrameric constând din două subunități catalitice (C2) și două reglatoare (R2); în această formă enzima este inactivă. În prezenţa AMPc, complexul de protein kinază se disociază reversibil într-o subunitate R2 şi două subunităţi C catalitice libere; acestea din urmă au activitate enzimatică, catalizând fosforilarea proteinelor și enzimelor, modificând în consecință activitatea celulară.
Activitatea multor enzime este reglată de fosforilarea dependentă de cAMP; în consecință, majoritatea hormonilor de natură proteină-peptidă activează acest proces. Cu toate acestea, o serie de hormoni au un efect inhibitor asupra adenilat-ciclazei, reducând în mod corespunzător nivelul cAMP și fosforilarea proteinei. În special, hormonul somatostatina, care se conectează cu receptorul său specific - proteina G inhibitoare (Gi, care este un omolog structural al proteinei Gs), inhibă sinteza adenilat ciclaza și AMPc, de exemplu. provoacă un efect direct opus celui cauzat de adrenalină și glucagon. Într-un număr de organe, prostaglandinele (în special, PGE 1) au, de asemenea, un efect inhibitor asupra adenilat-ciclazei, deși în același organ (în funcție de tipul de celulă) aceeași PGE 1 poate activa sinteza cAMP.
Mecanismul de activare și reglare a glicogen fosforilazei musculare, care activează descompunerea glicogenului, a fost studiat mai detaliat. Există 2 forme:
activ catalitic - fosforilaza aȘi
inactiv - fosforilaza b.
Ambele fosforilaze sunt construite din două subunități identice, în fiecare reziduul de serină din poziția 14 suferă procesul de fosforilare-defosforilare, activare și respectiv inactivare.
Sub acțiunea fosforilazei b kinazei, a cărei activitate este reglată de protein kinaza dependentă de cAMP, ambele subunități ale moleculei formei inactive a fosforilazei b suferă fosforilare covalentă și sunt transformate în fosforilază activă a. Defosforilarea acestuia din urmă sub acțiunea fosfatazei fosforilaze specifice a duce la inactivarea enzimei și la revenirea la starea inițială.
ÎN tesut muscular deschis 3 tipuri reglarea glicogen fosforilazei.
Primul tip – reglare covalentă, bazat pe fosforilarea-defosforilarea dependentă de hormoni a subunităților fosforilazei.
Al doilea tip – reglare alosterică. Se bazează pe reacțiile de adenilare-dedenilare ale subunităților glicogen fosforilază b (respectiv activare-inactivare). Direcția reacțiilor este determinată de raportul dintre concentrațiile de AMP și ATP, care se adaugă nu la centrul activ, ci la centrul alosteric al fiecărei subunități.
În mușchiul care lucrează, acumularea de AMP datorită consumului de ATP determină adenilarea și activarea fosforilazei b. În repaus, dimpotrivă, concentrațiile mari de ATP, înlocuind AMP, duc la inhibarea alosterică a acestei enzime prin deadenilare.
Al treilea tip – reglarea calciului, bazată pe activarea alosterică a fosforilazei b kinazei de către ionii de Ca 2+, a căror concentrație crește odată cu contracția musculară, promovând astfel formarea fosforilazei active a.
Sistem mesager guanilat ciclază
Suficient pentru o lungă perioadă de timp Guanozin monofosfat ciclic (cGMP) a fost considerat antipodul cAMP. I s-au atribuit funcții opuse cAMP. Până în prezent, s-au obținut multe dovezi că cGMP joacă un rol independent în reglarea funcției celulare. În special, în rinichi și intestine controlează transportul ionic și schimbul de apă, în mușchiul inimii servește ca semnal de relaxare etc.
Biosinteza cGMP din GTP se realizează sub acțiunea unei guanilat ciclaze specifice prin analogie cu sinteza cAMP:
Complexul receptorilor de adrenalină: AC- adenilat ciclază, G- proteina G; C și R- subunități catalitice și, respectiv, reglatoare ale protein kinazei; CE FACI- fosforilaz kinaza b; F- fosforilază; Glk-1-P- glucoza-1-fosfat; Glk-6-P- glucoza-6-fosfat; UDF-Glk- uridin difosfat glucoză; HS- glicogen sintetaza.
Sunt cunoscute patru forme diferite de guanilat ciclază, dintre care trei sunt legate de membrană și una este solubilă și deschisă în citosol.
Formele legate de membrană constau din 3 parcele:
receptor, localizat pe suprafata exterioara membrană plasmatică;
domeniul intramembranarȘi
componentă catalitică, aceeași forme diferite enzimă.
Guanylat cyclaza a fost descoperită în multe organe (inima, plămânii, rinichii, glandele suprarenale, endoteliul intestinal, retina etc.), ceea ce indică participarea sa largă la reglarea metabolismului intracelular, mediat prin cGMP. Enzima legată de membrană este activată prin receptorii corespunzători de către peptide extracelulare scurte, în special hormonul peptidă natriuretică atrială (ANP), o toxină termostabilă a bacteriilor gram-negative etc. ANP, după cum se știe, este sintetizat în atrium în răspuns la o creștere a volumului sanguin, intră în sânge în rinichi și activează guanilat ciclaza (crește în mod corespunzător nivelul de cGMP), promovând excreția de Na și apă. Neted celule musculare vasele conțin, de asemenea, un sistem similar receptor-guanilat ciclază, prin care ANF legat de receptor are un efect vasodilatator, ajutând la reducerea tensiune arteriala. ÎN celule epiteliale intestinului, poate servi un activator al sistemului receptor-guanilat ciclază endotoxină bacteriană, ceea ce duce la o absorbție mai lentă a apei în intestine și la dezvoltarea diareei.
Forma solubilă a guanilat-ciclazei este o enzimă care conține hem, constând din 2 subunități. Nitrovazodilatatoarele participă la reglarea acestei forme de guanilat ciclază, radicali liberi– produse ale peroxidării lipidelor. Unul dintre cei mai cunoscuți activatori este factor endotelial (EDRF), provocând relaxare vasculară. Componenta activă, ligandul natural, al acestui factor este oxidul nitric NO. Această formă a enzimei este activată și de unele nitrovasodilatatoare (nitroglicerină, nitroprusiat etc.) folosite pentru bolile de inimă; descompunerea acestor medicamente eliberează și NO.
Oxidul nitric se formează din aminoacidul arginină cu participarea unui sistem enzimatic complex dependent de Ca 2+ cu o funcție mixtă numită NO sintaza:
Oxidul nitric, atunci când interacționează cu hemul guanilat ciclază, promovează educație rapidă cGMP, care reduce forța contracțiilor inimii prin stimularea pompelor ionice care funcționează la concentrații scăzute de Ca2+. Cu toate acestea, efectul NO este pe termen scurt, de câteva secunde, localizat - în apropierea locului de sinteză. Nitroglicerina, care eliberează NO mai lent, are un efect similar, dar de durată mai lungă.
S-a obţinut dovezi că majoritatea efectelor cGMP sunt mediate printr-o protein kinază dependentă de cGMP numită protein kinaza G. Această enzimă, răspândită în celulele eucariote, este obţinută în formă pură. Este format din 2 subunități - un domeniu catalitic cu o secvență similară cu secvența subunității C a proteinei kinazei A (dependent de cAMP) și un domeniu reglator similar cu subunitatea R a proteinei kinazei A. Cu toate acestea, protein kinazele A și G recunosc diferite secvențe de proteine, reglând în mod corespunzător fosforilarea grupului OH a serinei și treoninei diferitelor proteine intracelulare și producând astfel efecte biologice diferite.
Nivel ciclic nucleotidele cAMP iar cGMP din celulă este controlată de fosfodiesterazele corespunzătoare, care catalizează hidroliza lor la monofosfați de nucleotide 5" și diferă în afinitate pentru cAMP și cGMP. O fosfodiesteraza solubilă dependentă de calmodulină și o izoformă legată de membrană, nereglată de Ca 2+ și calmodulină, au fost izolate și caracterizate.
Sistem de mesagerie Ca 2+
Ionii de Ca 2+ joacă un rol central în reglarea multora funcții celulare. O modificare a concentrației de Ca2+ liber intracelular este un semnal pentru activarea sau inhibarea enzimelor, care la rândul lor reglează metabolismul, activitatea contractilă și secretorie, aderența și creșterea celulară. Sursele de Ca 2+ pot fi intra și extracelulare. În mod normal, concentrația de Ca 2+ în citosol nu depășește 10 -7 M, iar sursele sale principale sunt reticulul endoplasmatic și mitocondriile. Semnalele neurohormonale duc la o creștere bruscă a concentrației de Ca 2+ (până la 10 –6 M), provenind atât din exterior prin membrana plasmatică (mai precis, prin canale de calciu dependente de voltaj și dependente de receptor), cât și din intracelular. surse. Unul dintre cele mai importante mecanisme efectuarea unui semnal hormonal în sistemul mesager de calciu este declanșarea reacțiilor (răspunsurilor) celulare prin activarea unui anumit Protein kinaza dependentă de Ca 2+ -calmodulină. Subunitatea de reglare a acestei enzime s-a dovedit a fi proteina de legare a Ca 2+ calmodulină. Când concentrația de Ca 2+ în celulă crește ca răspuns la semnalele primite, o protein kinază specifică catalizează fosforilarea multor enzime țintă intracelulare, reglând astfel activitatea lor. S-a demonstrat că fosforilaza b kinaza, activată de ionii de Ca 2+, precum NO sintaza, include ca subunitate calmodulina. Calmodulina face parte dintr-o varietate de alte proteine care leagă Ca 2+. Odată cu creșterea concentrației de calciu, legarea Ca 2+ de calmodulină este însoțită de modificările conformaționale ale acesteia, iar în această formă legată de Ca 2+, calmodulina modulează activitatea multor proteine intracelulare (de unde și numele).
Sistemul mesager intracelular include, de asemenea, derivați ai fosfolipidelor din membranele celulelor eucariote, în special derivați fosforilați ai fosfatidilinozitolului. Acești derivați sunt eliberați ca răspuns la un semnal hormonal (de exemplu, de la vasopresină sau tirotropină) sub acțiunea unei fosfolipaze C specifice legate de membrană. Ca urmare a reacțiilor secvențiale, se formează doi mesageri secundari potențiali - diacilglicerol și inozitol 1, 4,5-trifosfat.
Efectele biologice ale acestor mesageri secunde sunt realizate în moduri diferite. Acțiunea diacilglicerolului, ca și ionii liberi de Ca2+, este mediată prin legarea membranei Enzima protein kinaza C dependentă de Ca, care catalizează fosforilarea enzimelor intracelulare, modificându-le activitatea. Inozitol 1,4,5-trifosfat se leagă de un receptor specific de pe reticulul endoplasmatic, promovând eliberarea ionilor de Ca 2+ în citosol.
Astfel, datele prezentate pe mesagerii secundari indică faptul că fiecare dintre aceste sisteme intermediare efect hormonal corespunde unei clase specifice de protein kinaze, deși nu poate fi exclusă posibilitatea unei relații strânse între aceste sisteme. Activitatea protein kinazelor de tip A este reglată de cAMP, protein kinazei G de cGMP; Protein kinazele dependente de Ca2+-calmodulină sunt sub controlul [Ca2+] intracelular, iar protein kinaza de tip C este reglată de diacilglicerol în sinergie cu Ca2+ liber și fosfolipidele acide. O creștere a nivelului oricărui mesager secundar duce la activarea clasei corespunzătoare de protein kinaze și la fosforilarea ulterioară a substraturilor lor proteice. Ca rezultat, nu numai activitatea se modifică, ci și proprietățile reglatoare și catalitice ale multor sisteme enzimatice celulare: canale ionice, intracelulare. elemente structuraleși aparatul genetic.
2) Realizarea efectului după pătrunderea hormonului în celulă
În acest caz, receptorii pentru hormon sunt localizați în citoplasma celulei. Hormonii acestui mecanism de acțiune, datorită lipofilității lor, pătrund cu ușurință în membrana în celula țintă și se leagă de proteine specifice receptorului din citoplasma acesteia. Complexul hormon-receptor pătrunde în nucleul celulei. În nucleu, complexul se dezintegrează, iar hormonul interacționează cu anumite secțiuni ale ADN-ului nuclear, rezultând formarea unui ARN mesager special. ARN-ul mesager părăsește nucleul și promovează sinteza proteinei sau proteinei enzimatice pe ribozomi. Așa acționează hormonii steroizi și derivații de tirozină - hormonii tiroidieni. Acțiunea lor se caracterizează printr-o restructurare profundă și pe termen lung a metabolismului celular.
Se știe că efectul hormonilor steroizi se realizează prin intermediul aparatului genetic prin modificarea expresiei genelor. După ce a fost livrat cu proteine din sânge în celulă, hormonul pătrunde (prin difuzie) prin membrana plasmatică și mai departe prin membrana nucleară și se leagă de proteina receptorului intranuclear. Complexul steroizi-proteină se leagă apoi de regiunea de reglare a ADN-ului, așa-numitele elemente sensibile la hormoni, promovând transcrierea genelor structurale corespunzătoare, inducerea sintezei proteinelor de novo și modificări în metabolismul celular ca răspuns la un semnal hormonal.
Trebuie subliniat că trăsătura principală și distinctivă a mecanismelor moleculare de acțiune a celor două clase principale de hormoni este aceea că acțiunea hormonilor peptidici se realizează în principal prin modificări post-translaționale (postsintetice) ale proteinelor în celule, în timp ce hormonii steroizi ( precum și hormonii tiroidieni, retinoizii, hormonii vitaminei D3) acționează ca regulatori ai expresiei genelor.
Inactivarea hormonilor are loc în organele efectoare, în principal ficatul, unde hormonii suferă diferite modificări chimice prin legarea de acidul glucuronic sau sulfuric sau ca urmare a acțiunii enzimelor. Parțial, hormonii sunt excretați nemodificat în urină. Acțiunea unor hormoni poate fi blocată din cauza secreției de hormoni care au efect antagonist.
