Мембранный механизм действия водорастворимых гормонов. Механизмы действия гормонов

Действие гормонов основано на стимуляции или угнетении каталитической функции некоторых ферментов в клетках органов-мишеней. Это действие может достигаться путем активации или ингибирования уже имеющихся ферментов. Причем важная роль принадлежит циклическому аденозинмонофосфату (цАМФ), который является здесь вторичным посредником (роль первичного

посредника выполняет сам гормон). Возможно также увеличение концентрации ферментов за счет ускорения их биосинтеза путем активации генов.

Механизм действия гормонов пептидной и стероидной природы различен. Амины и пептидные гормоны не проникают внутрь клетки, а присоединяются на ее поверхности к специфическим рецепторам в клеточной мембране. Рецептор связан с ферментом аденилатциклазой. Комплекс гормона с рецептором активирует аденилатциклазу, которая расщепляет АТФ с образованием цАМФ. Действие цАМФ реализуется через сложную цепь реакций, ведущую к активации определенных ферментов путем их фосфорилирования, они и осуществляют конечный эффект гормона (рис. 2.3).

Рис. 2.4 Механизм действия стероидных гормонов

I - гормон проникает в клетку и связывается с рецептором в цитоплазме; II - рецептор транспортирует гормон в ядро;

III - гормон обратимо взаимодействует с ДНК хромосом; IV - гормон активирует ген, на котором образуется матричная (информационная) РНК (мРНК); V- мРНК выходит из ядра и инициирует синтез белка (обычно фермента) на рибосомах; фермент реализует конечный гормональный эффект; 1 - клеточная мембрана, 2 - гормон, 3 - рецептор, 4 - ядерная мембрана, 5 - ДНК, 6 - мРНК, 7 - рибосома, 8 - синтез белка (фермента).

Стероидные гормоны, а также Тз и Т 4 (тироксин и трийодтиронин) растворимы в жирах, поэтому они проникают через клеточную мембрану. Гормон связывается с рецептором в цитоплазме. Образовавшийся гормон-рецепторный комплекс транспортируется в ядро клетки, где вступает в обратимое взаимодействие с ДНК и индуцирует синтез белка (фермента) или нескольких белков. Путем включения специфических генов на определенном участке ДНК одной из хромосом синтезируется матричная (информационная) РНК (мРНК), которая переходит из ядра в цитоплазму, присоединяется к рибосомам и индуцирует здесь синтез белка (рис. 2.4).

В отличие от пептидов, активирующих ферменты, стероидные гормоны вызывают синтез новых ферментных молекул. В связи с этим эффекты стероидных гормонов проявляются намного медленнее, чем действие пептидных гормонов, но длятся обычно дольше.

2.2.5. Классификация гормонов

На основании функциональных критериев различают три группы гормонов: 1) гормоны, которые оказывают влияние непосредственно на орган-мишень; эти гормоны называются эффекторнымщ 2) гормоны, основной функцией которых является регуляция синтеза и выделения эффекторных гормонов;

эти гормоны называют тропнымщ 3) гормоны, вырабатываемые нервными клетками и регулирующие синтез и выделение гормонов аденогипофиза; эти гормоны называются рилизинг-гормонами, или либеринами, если они стимулируют эти процессы, или ингибирующими гормонами, статинами, если они обладают противоположным действием. Тесная связь между ЦНС и эндокринной системой осуществляется в основном с помощью этих гормонов.

В сложной системе гормональной регуляции организма различают более или менее длинные цепи регуляции. Основная линия взаимодействий: ЦНС → гипоталамус → гипофиз → периферические эндокринные железы. Все элементы этой системы объединены обратными связями. Функция части эндокринных желез не находится под регулирующим влиянием гормонов аденогипофиза (например, паращитовидные железы, поджелудочная железа и др.).

Согласно современным представлениям, действие гормонов основано на стимуляции или угнетении каталитической функции определенных ферментов. Этот эффект достигается, во-первых, посредством активации или ингибирования уже имеющихся ферментов в клетках, во-вторых, посредством увеличения концентрации ферментов в клетках за счет ускорения синтеза ферментов путем активации генов. Гормоны могут увеличивать или уменьшать проницаемость клеточных и субклеточных мембран для ферментов и других биологически активных веществ, благодаря чему облегчается или тормозится действие фермента на субстрат.

Различают следующие типы механизма действия гормонов: мембранный, мембранно-внутриклеточный и внутриклеточный (цитозольный).

Мембранный механизм. Гормон связывается с клеточной мембраной и в месте связывания изменяет ее проницаемость для глюкозы, аминокислот и некоторых ионов. В этом случае гормон выступает как эффектор транспортных систем мембраны. Такое действие оказывает инсулин, изменяя транспорт глюкозы. Но этот тип транспорта гормонов редко встречается в изолированном виде. Инсулин, например, обладает как мембранным, так и мембранно-внутриклеточным механизмом действия.

Мембранно-внутриклеточный механизм. По мембранно-внутриклеточному типу действуют гормоны, которые не проникают в клетку и поэтому влияют на обмен веществ через внутриклеточного химического посредника. К ним относят белково-пептидные гормоны (гормоны гипоталамуса, гипофиза, поджелудочной) и паращитовидной желез, тиреокальцитонин щитовидной железы); производные аминокислот (гормоны мозгового слоя надпочечников - адреналин и норадреналин, щитовидной железы - тироксин, трийодтиронин).

Функции внутриклеточных химических посредников гормонов выполняют циклические нуклеотиды - циклический 3",5"-аденозинмонофос-фат (цАМФ) и циклический 3",5"-гуанозинмонофосфат (цГМФ), ионы кальция.

Гормоны влияют на образование циклических нуклеотидов: цАМФ - через аденилатциклазу, цГМФ - через гуанилатциклазу.

Аденилатциклаза встроена в мембрану клетки и состоит из трех взаимосвязанных частей: рецепторной, представленной набором мембранных рецепторов, находящихся снаружи мембраны; сопрягающей (Л), представленной особым Л-белком, расположенным в липидном слое мембраны, и каталитической (С), являющейся ферментным белком, то есть собственно аденилатциклазой, которая превращает АТФ (аденозинтрифосфат) в цАМФ.

Аденилатциклаза работает по следующей схеме. Как только гормон связывается с рецептором (R) и образуется комплекс гормон - рецептор, происходит образование комплекса Л-белок - ГТФ (гуанозинтрифосфат), который активирует каталитическую (С) часть аденилатциклазы. Активация аденилатциклазы приводит к образованию цАМФ внутри клетки у внутренней поверхности мембраны из АТФ.

Даже одна молекула гормона, связавшегося с рецептором, заставляет работать аденилатциклазу. При этом на одну молекулу связавшегося гормона образуется 10-100 молекул цАМФ внутри клетки. В активном состоянии аденилатциклаза находится до тех пор, пока существует комплекс гормон - рецептор.

Аналогичным образом работает и гуанилатциклаза. Комплекс гормон - рецептор активирует гуанилатциклазу, ее активация приводит к образованию цГМФ внутри клетки из ГТФ.

В цитоплазме клетки находятся неактивные протеинкиназы. Циклические нуклеотиды - цАМФ и цГМФ - активируют протеинкиназы. Существуют цАМФ-зависимые и цГМФ-зависимые протеинкиназы, которые активируются своим циклическим нуклеотидом. В зависимости от мембранного рецептора, связывающего определенный гормон, включается или аденилатциклаза, или гуанилатциклаза и соответственно происходит образование или цАМФ, или цГМФ.

Через цАМФ действует большинство гормонов, а через цГМФ - только окситоцин, тиреокальцитонин, инсулин и адреналин (через а-адренорецепторы).

При помощи активированных протеинкиназ осуществляется два вида регуляции активности ферментов: активация уже имеющихся ферментов путем ковалентной модификации, то есть фосфорилированием (количество ферментного белка не изменяется); изменение количества ферментного белка за счет изменения скорости его биосинтеза.

Влияние циклических нуклеотидов на биохимические процессы прекращается под влиянием специального фермента - фосфодиэстеразы, разрушающей цАМФ и цГМФ. Образующие АМФ и ГМФ не способны активировать протеинкиназы.

Другой фермент - фосфопротеид-фосфатаза - разрушает результат действия протеинкиназы, то есть отщепляет фосфорную кислоту от ферментных белков, в результате чего они становятся неактивными.

Внутри клетки ионов кальция содержится ничтожно мало, вне клетки их больше. Ионы кальция поступают из внешней среды по кальциевым каналам в мембране. В клетке кальций взаимодействует с кальций-связывающим белком калмодулином (КМ). Комплекс Са2+- КМ изменяет (модулирует) активность ферментов, что ведет к изменению биохимических функций клеток.

Таким образом, чувствительность тканей и органов к гормонам зависит от мембранных рецепторов, а специфическое регуляторное влияние их определяется внутриклеточным посредником.

Внутриклеточный (цитозольный) механизм действия. Он характерен для стероидных гормонов (кортикостероидов, половых гормонов - андрогенов, эстрогенов и гестагенов). Стероидные гормоны по физико-химическим свойствам относятся к липофильным веществам и способны проникать через липидный слой плазматической мембраны.

Гормон проникает внутрь клетки и взаимодействует со специфическим белком-рецептором, находящимся в цитоплазме, образуя гормон-рецепторный комплекс. В цитоплазме клетки последний подвергается активации. В активированной форме этот комплекс проникает через ядерную мембрану к хромосомам ядра и взаимодействует с ними. При этом происходит активация генов, сопровождающаяся усиленным синтезом РНК, что приводит к ускоренному синтезу соответствующих ферментов. Цитоплазматический белок-рецептор служит посредником в действии гормона, однако он приобретает эти свойства только после его соединения с гормоном.

Наряду с непосредственным действием на ткани гормоны влияют и через центральную нервную систему. Они возбуждают специальные хеморецепторы, от которых возбуждение направляется в центральную нервную систему, причем рефлекторные дуги рефлексов, вызванных гормонами, замыкаются в разных отделах центральной нервной системы, включая кору больших полушарий.

Существует несколько видов классификации.

По месту образования гормонов:

1. гормоны гипоталамуса;

2. гормоны гипофиза;

3. гормоны щитовидной железы;

4. гормоны поджелудочной железы;

5. гормоны паращитовидных желез;

6. гормоны надпочечников;

7. гормоны половых желез;

8. гормоны местного действия.

По химическому строению:

1. белково-пептидные гормоны: гормоны гипоталамуса, гипофиза, поджелудочной железы, паращитовидных желез;

2. производные аминокислот: адреналин, норадреналин, тироксин, трийодтиронин;

3. стероиды: в их основе лежит структура циклопентанпергидрофенантрена, образуются из холестерина (половые гормоны, коры надпочечников).

По механизму действия (по расположению рецепторов):

1. гормоны, действующие через внутриклеточный рецептор - липофильные гормоны - стероиды и тиреоидные гормоны;

2. гормоны, действующие через рецепторы, находящиеся на поверхности клетки - гидрофильные гормоны. Они действуют через внутриклеточный посредник - мессенджер.

Гормон - первый посредник, а цАМФ, ионы Са2+, фосфатидилинозиды - вторые (чаще цАМФ, которая образуется из АДФ) посредники. [рис. цАМФ]

Механизм действия гормонов

Липофильные гормоны.

Гормон диффундирует через плазматическую мембрану и связывается внутренними рецепторами, образуется комплекс «гормон-рецептор», который активируется и действует на ДНК. В ДНК выделяют В ДНК выделяют гормон-чувствительный элемент (ГЧЭ). Под его влиянием изменяется транскрипция, что влияет на деградацию мРНК. Гормоны влияют на процессинг белка. Гормоны действуют непосредственно на ДНК, активируют ферменты

По химическому строению гормоны делятся на несколько группы:

Гормоны белковой-пептидной природы: это гормоны гипоталамуса, гипофиза, поджелудочной железы, желудочно-кишечного тракта, паращитовидной железы.
Гормоны – производные аминокислот: это адреналин и норадреналин из мозгового слоя надпочечников, трииодтиронин и тетраиодтиронин (тироксин) из щитовидной железы, мелатонин из эпифиза.
Гормоны стероидной природы: они образуются из холестерина (гормоны коры надпочечников, половые гормоны, витамин Д).
В особую группу выделяют тканевые гормоны , которые образуются в специализированных эндокринных клетках внутренних органов: желудка, кишечника, легких, почек – и оказывают регуляторное влияние на клетки того же или другого органа. Некоторые тканевые гормоны образуются в самих рабочих клетках или в крови (простагландины, кинины, ангиотензин).

Функциональная классификация гормонов:

Эффекторные гормоны - гормоны, которые оказывают влияние непосредственно на орган-мишень.
Тропные гормоны - гормоны, основной функцией которых является регуляция синтеза и выделения эффекторных гормонов. Выделяются аденогипофизом.
Рилизинг-гормоны - гормоны, регулирующие синтез и выделение гормонов аденогипофиза, преимущественно тропных. Выделяются нервными клетками гипоталамуса.

По биохимическим действиям, функциям различают 5 видов гормонов:

гормоны, регулирующие обмен белков, углеводов, липидов: инсулин, глюкагон, адреналин, кортизол.
гормоны, регулирующие водно-солевой обмен в организме: альдостерон, вазопрессин.
гормоны, регулирующие обмен ионов кальция и фосфатов в организме: половые гормоны: паратгормон, кальцитонин, кальцитриол.
гормоны, регулирующие репродуктивную функцию в организме: половые гормоны (мужские и женские).
гормоны, регулирующие функции эндокринных желез: АКТГ, тиреотропный, ЛГ, ФСГ, соматотропин, меланотропный.

Гормоны могут воздействовать на клетки-мишени по трем механизмам: мембранному, мембранно-цитозольному и цитозольному.

1. Мембранный механизм заключается в том, что гормон, связываясь с рецептором мембраны, вызывает изменения третичной структуры белков транспортных систем. После этого в клеточную оболочку встраиваются каналы, через которые глюкоза и аминокислоты поступают в цитоплазму. По такому механизму действует инсулин.

2. Мембранно-цитозольный механизм характерен для большинства гормонов, синтезированных не из холестерола. Гормон также не проникает в клетку и эффект егоопосредован через рецептор, расположенный в клеточной оболочке. В составе рецептора имеется фермент аденилатциклаза, который. В момент присоединения гормона к рецептору она, активируясь, расщепляет АТФ и вырабатывается вторичный посредник циклический АМФ (цАМФ): АТФ аденилатциклаза цАМФ + Ортофосфорная кислота.

цАМФ поступает в цитоплазму, где активирует фермент протеинкиназу. Последняя катализирует реакцию присоединения к рабочему ферменту остатка фосфорной кислоты. После этого рабочий фермент активируется, запуская определенную биохимическую реакцию. Например, адреналин, присоединяясь к рецептору клетки печени, индуцирует выработку цАМФ. Последний активирует протеинкиназу, она – рабочий фермент гликогенфосфорилазу, запуская процесс расщепления гликогена в печени. После того, как цАМФ оказал эффект, он расщепляется фосфодиэстеразой: цАМФ Фосфодиэстераза АМФ. После этого клетка может принимать новый сигнал.

Некоторые гормоны через выработку цАМФ оказывают обратный эффект: ингибируя рабочий фермент, останавливают реакцию. Эффект других гормонов (соматотропина, окситоцина, адреналина через α-адренорецептор) опосредован через цГМФ, образующийся из гуанозинтрифосфата (ГТФ): ГТФ гуанилатциклаза цГМФ + Ортофосфорная к-та.

цЦМФ также активирует протеинкиназу, расщепляется фосфодиэстеразой.

Эффект гормоны третьей группы может осущствляться через вторичные посредники, генерируемые в процессе гидролиза фосфоглицерида фосфатидилинозитолтрифосфата (ФИнТФ). Последний расположен в двойном фосфолипидном слое клеточной мембраны и гидролизуется фосфолипазой С, локализованной в рецепторе, после присоединения к нему гормона.

Высвободившийся иозитол-1,4,5-трифосфат (ИнТФ) поступает в цитоплазму, где связывается со своим рецептором на мембране эндоплазматического ретикулума, открывая расположенные здесь кальциевые каналы. Вследствие этого в цитоплазму поступают ионы кальция, которые связываясь с различными белками, изменяют метаболизм в клетке. Ин-3-ф в после этого инактивируется, отщепляя от инозитола остатки фосфорной кислоты.

Оставшийся в мембране после отщепления от ФИнТФ остатка ИнТФ диацилглицерол (ДАГ), активирует протеинкиназу С, которая присоединяет остаток фосфорной кислоты к определенным белкам, также изменяет метаболизм в клетке. После этого ДАГ инактивируется, присоединяя к третьему углеродному атому глицерола остаток фосфорной кислоты и превращаясь в фосфатидную кислоту. По такому механизму воздействуют на клетки паратгормон, вырабатываемый паращитовидными железами, инсулин, один из эффектов которого опосредован через мембрано-цитозольный механизм, и другие гормоны.

Цитозольный механизм действия характерен для гормонов коркового слоя надпочечников, половых желез (стероидных гормонов) и тироксина. Эти гормоны проникают в цитоплазму клеток, там соединяются с цитозольным рецептором и поступают вместе в ядро клетки. Там они, воздействуя на молекулу ДНК, индуцируют сборку молекулы иРНК, затем синтез в рибосомах определенных ферментов. Например, кортизон индуцирует биосинтез ключевых ферментов глюконеогенеза, тироксин – ферментов энергетического обмена. Гормоны этой группы оказывают большое влияние на рост и дифференцировку клеток.

Выучите определение понятия: гормоны – биологически активные соединения, выделяемые железами внутренней секреции в кровь или лимфу и оказывающие влияние на метаболизм клетки.

23.1.2. Запомните основные особенности действия гормонов на органы и ткани:

гормоны синтезируются и выделяются в кровь специализированными эндокринными клетками;
гормоны обладают высокой биологической активностью - физиологическое действие проявляется при концентрации их в крови порядка 10-6 - 10-12 моль/л;
каждый гормон характеризуется присущей только ему структурой, местом синтеза и функцией; дефицит одного гормона не может быть восполнен другими веществами;
гормоны, как правило, влияют на отдалённые от места их синтеза органы и ткани.

23.1.3. Гормоны осуществляют своё биологическое действие, образуя комплекс со специфическими молекулами – рецепторами . Клетки, содержащие рецепторы к определённому гормону, называются клетками-мишенями для этого гормона. Большинство гормонов взаимодействуют с рецепторами, расположенными на плазматической мембране клеток-мишеней; другие гормоны взаимодействуют с рецепторами, локализованными в цитоплазме и ядре клеток-мишеней. Имейте в виду, что дефицит как гормонов, так и их рецепторов может приводить к развитию заболеваний.

23.1.4. Некоторые гормоны могут синтезироваться эндокринными клетками в виде неактивных предшественников – прогормонов . Прогормоны могут запасаться в большом количестве в специальных секреторных гранулах и быстро активироваться в ответ на соответствующий сигнал.

23.1.5. Классификация гормонов основана на их химическом строении. Различные химические группы гормонов приведены в таблице 23.1.

* Местом секреции этих гормонов является задняя доля гипофиза (нейрогипофиз).

Следует иметь в виду, что кроме истинных гормонов выделяют также гормоны местного действия . Эти вещества синтезируются, как правило, неспециализированными клетками и оказывают свой эффект в непосредственной близости от места выработки (не переносятся током крови к другим органам). Примерами гормонов местного действия являются простагландины, кинины, гистамин, серотонин.

Изменение транспорта воды и ионов в почечных канальцах наступает под влиянием нервных стимулов или гормонов. Сущность многообразных эффектов этих веществ может быть сведена к двум основным способам внутриклеточных реакций. Примером одной является действие альдостерона, другой — АДГ. Альдостерон после введения в кровь увеличивает реабсорбцию натрия после довольно продолжительного латентного периода, равного 45-120 мин.

Этот гормон через перитубулярную плазматическую мембрану проникает в клетку и в цитоплазме связывается со стерео специфичным для него белком. Этот процесс занимает 30-45 мин, после чего комплекс альдостерон - рецептор переносится в ядро и взаимодействует с акцепторными для него участками ядерного хроматина. Это вызывает транскрипцию гена - активация участка ДНК способствует синтезу РНК-посредника, которая переходит из ядра в цитоплазму и стимулирует в рибосомах синтез нового белка. Его относительная молекулярная масса около 12 000. Существует ряд гипотез о точке приложения в клетке этого белка и механизме, с помощью которого он увеличивает транспорт натрия.

Согласно одной из гипотез, этот белок является компонентом переносчика или пермеазы, облегчая проникновение натрия в клетку через апикальную мембрану. Другая гипотеза придает ведущее значение активации насоса - Na, К-АТФ-азы. Наконец, по метаболической гипотезе этот белок служит компонентом системы энергетического обмена клетки, он усиливает митохондриальный синтез АТФ. Высказывают также мысль о возможности действия этого белка не на один, а на два компонента системы - проникновение и активное выведение натрия из клетки, что автоматически усиливает энерготраты и приводит к возрастанию образования АТФ. Довольно глубокое изучение механизма действия альдостерона имеет существенное значение для клиники - становится понятным способ действия, причина длительного латентного периода и сущность влияния диуретиков - опиронолактонов - конкурентных антагонистов альдостерона (верошпирон, альдактон). Эти вещества угнетают связывание альдостерона с рецепторными белками, находящимися в цитоплазме и ядре.

Установлено, что основным местом действия альдостерона в нефроне являются самые конечные отделы дистального извитого канальца и начальные отделы собирательных трубок. В этих же клетках действуют и спиронолактоны. Приведенные выше данные о механизме клеточного влияния альдостерона касаются только его воздействия на реабсорбцию натрия; вызываемое гормоном усиление секреции калия не опосредовано через генетический аппарат клетки.

Иной механизм внутриклеточного действия характерен для АДГ.

На наружной поверхности базальной плазматической мембраны клеток собирательных трубок локализован рецепторный белок для АДГ. Составным элементом мембранного рецептора является фермент аденилатциклаза, которая при активации рецептора катализирует уже с внутренней стороны мембраны образование из АТФ цАМФ 3´, 5´-АМФ. Точный механизм всех последующих этапов действия этого вещества в клетке собирательной трубки пока не ясен.

Известно, что 3",5"-АМФ активирует перенос макроэргического фосфата с помощью фермента протеинофосфазы на серии или треонин протеинфосфотазы. Этот фермент находится с внутренней стороны апикальной мембраны клетки. Эти реакции в конечном счете вызывают увеличение проницаемости канальцевой стенки для воды. 3´,5"-АМФ, индуцировавший всю последовательность внутриклеточных реакций, превращается в физиологически неактивный 5"-АМФ с помощью фермента фосфодиэстеразы циклического нуклеотида.

Существенно, что ингибитором этого фермента является весьма часто используемое в клинике вещество теофиллин. Подобная последовательность внутриклеточных реакций характерна для действия на клетку нефрона катехоламинов, ряда пептидных гормонов, например ПГ. Различие заключается в специфике рецептора, находящегося с наружной стороны базальной плазматической мембраны, и ином конечном звене внутриклеточных реакций, инициируемых с помощью 3",5"-АМФ.

Пути реабсорбции воды пока остаются предметом споров. Согласно одной из гипотез, конечным этапом действия 3",5"-АМФ является увеличение проницаемости для воды апикальной плазматической мембраны, и вода, пересекая клетку, по осмотическому градиенту движется в межклеточную жидкость и кровь. По другой гипотезе под влиянием АДГ при участии 3",5"-АМФ происходит секреция гиалуронидазы. А. Г. Гинецинский (1963) считал, что этот фермент, деполимеризуя гликозаминогликаны межклеточного вещества, увеличивает проницаемость мембраны для воды.

Описанные выше подходы к ряду патологических состояний позволили выявить их существенное значение для понимания патогенеза нефрогенного несахарного диабета, нарушения концентрационной способности почки при ХПН и др. Так, при одной из форм нефрогенного несахарного диабета обнаружено уменьшение секреции гиалуронидазы и образования 3", 5"-АМФ под влиянием АДГ.

Клиническая нефрология

под ред. Е.М. Тареева

КАТЕГОРИИ