Биологические мембраны. Что такое вторичные посредники? Перечислите вторичные посредники, приведите примеры рецепторов, передающих внутриклеточный сигнал с их помощью

Молекулу гормона обычно называют первичным посредником регуляторного эффекта, или лигандом. Молекулы большинства гормонов связываются со специфическими для них рецепторами плазматических мембран клеток мишеней, образуя лиганд-рецепторный комплекс. Для пептидных, белковых гормонов и катехоламинов его образование является основным начальным звеном механизма действия и приводит к активации мембранных ферментов и образованию различных вторичных посредников гормонального регуляторного эффекта, реализующих свое действие в цитоплазме, органоидах и ядре клетки. Среди ферментов, активируемых лиганд-рецептор-ным комплексом, описаны: аденилатциклаза, гуанилатциклаза, фосфолипа-зы С, D и А2, тирозинкиназы, фосфаттирозинфосфатазы, фосфоинозитид-3-ОН-киназа, серинтреонин-киназа, синтаза N0 и др. Вторичными посредниками, образующимися под влиянием этих мембранных ферментов, являются: 1) циклический аденозинмонофосфат (цАМФ); 2) циклический гуано зинмонофосфат (цГМФ); 3) инозитол-3-фосфат (ИФЗ); 4) диацилглицерол; 5) олиго (А) (2,5-олигоизоаденилат); 6) Са2+ {ионизированный кальций); 7) фосфатидная кислота; 8) циклическая аденозиндифосфатрибоза; 9) N0 (оксид азота). Многие гормоны, образуя лиганд-рецепторные комплексы, вызывают активацию одновременно нескольких мембранных ферментов и, соответственно, вторичных посредников.

Механизмы действия пептидных, белковых гормонов и катехоламинов. Лиганд. Значительная часть гормонов и биологически активных веществ взаимодействуют с семейством рецепторов, связанных с G-белками плазматической мембраны (андреналин, норадреналин, аденозин, ангиотензин, эндотелии и др.).

Основные системы вторичных посредников.

Система аденилатциклаза - цАМФ . Мембранный фермент аденилатциклаза может находиться в двух формах - активированной и неактивированной. Активация аденилатциклазы происходит под влиянием гормон-рецепторного комплекса, образование которого приводит к связыванию гуанилового нуклеотида (ГТФ) с особым регуляторным стимулирующим белком (GS-белок), после чего GS-белок вызывает присоединение Mg к аденилатциклазе и ее активацию. Так действуют активирующие аде-нилатциклазу гормоны - глюкагон, тиротропин, паратирин, вазопрессин (через V-2-рецепторы), гонадотропин и др. Ряд гормонов, напротив, подавляет аденилатциклазу - соматостатин, ангиотензин-II и др. Гормонрецепторные комплексы этих гормонов взаимодействуют в мембране клетки с другим регуляторным ингибирующим белком (GI-белок), который вызывает гидролиз гуанозинтрифосфата (ГТФ) до гуанозиндифосфата (ГДФ) и, соответственно, подавление активности аденилатциклазы. Адреналин через р-адренорецепторы активирует аденилатциклазу, а через альфа1-адренорецепторы ее подавляет, что во многом и определяет различия эффектов стимуляции разных типов рецепторов. Под влиянием аденилатциклазы из АТФ синтезируется цАМФ, вызывающий активацию двух типов протеинкиназ в цитоплазме клетки, ведущих к фосфорилированию многочисленных внутриклеточных белков. Это повышает или снижает проницаемость мембран, активность и количество ферментов, т. е. вызывает типичные для гормона метаболические и, соответственно, функциональные сдвиги жизнедеятельности клетки. В табл. 6.2 приведены основные эффекты активации цАМФ-зависимых протеинкиназ.

Трансметилазная система обеспечивает метилирование ДНК, всех типов РНК, белков хроматина и мембран, ряда гормонов на уровне тканей, фосфолипидов мембран. Это способствует реализации многих гормональных влияний на процессы пролиферации, дифференцировки, состояние проницаемости мембран и свойства их ионных каналов и, что важно подчеркнуть особо, влияет на доступность мембранных рецепторных белков молекулам гормонов. Прекращение гормонального эффекта, реализуемого через систему аденилатциклаза - цАМФ, осуществляется с помощью специального фермента фосфодиэстеразы цАМФ, вызывающей гидролиз этого вторичного посредника с образованием аденозин-5-монофосфата. Однако этот продукт гидролиза превращается в клетке в аденозин, также обладающий эффектами вторичного посредника, так как подавляет в клетке процессы метилирования.

Система гуанилатциклаза-цГМФ. Активация мембранной гуанилатциклазы происходит не под непосредственным влиянием гормон-рецепторного комплекса, а опосредованно через ионизированный кальций и ок-сидантные системы мембран. Определяющая эффекты ацетилхолина стимуляция активности гуанилатциклазы также осуществляется опосредованно через Са2+. Через активацию гуанилатциклазы реализует эффект и на-трийуретический гормон предсердий - атриопептид. Путем активации пе-рекисного окисления стимулирует гуанилатциклазу гормон эндотелия сосудистой стенки оксид азота - расслабляющий эндотелиальный фактор. Под влиянием гуанилатциклазы из ГТФ синтезируется цГМФ, активирующий цГМФ-зависимые протеинкиназы, которые уменьшают скорость фосфорилирования легких цепей миозина в гладких мышцах стенок сосудов, приводя к их расслаблению. В большинстве тканей биохимические и физиологические эффекты цАМФ и цГМФ противоположны. Примерами могут служить стимуляция сокращений сердца под влиянием цАМФ и торможение их цГМФ, стимуляция сокращения гладких мышц кишечника цГМФ и подавление цАМФ. цГМФ обеспечивает гиперполяризацию рецепторов сетчатки глаза под влиянием фотонов света. Ферментативный гидролиз цГМФ, а следовательно, и прекращение гормонального эффекта, осуществляется с помощью специфической фосфодиэстеразы.

Система фосфолипаза С - инозитол-3-фосфат. Гормонрецепторный комплекс с участием регуляторного G-белка ведет к активации мембранного фермента фосфолипазы С, вызывающей гидролиз фосфоли-пидов мембраны с образованием двух вторичных посредников: инозитол-3-фосфата и диацилглицерола. Инозитол-3-фосфат вызывает выход Са2+ из внутриклеточных депо, в основном из эндоплазматического ретикулума, ионизированный кальций связывается со специализированным белком кальмодулином, что обеспечивает активацию протеинкиназ и фосфорилирование внутриклеточных структурных белков и ферментов. В свою очередь диацилглицерол способствует резкому повышению сродства протеинкиназы С к ионизированному кальцию, последний без участия кальмодулина ее активирует, что также завершается процессами фосфорилирования белков. Диацилглицерол одновременно реализует и другой путь опосредования гормонального эффекта за счет активирования фосфолипазы А-2. Под влиянием последней из мембранных фосфолипидов образуется арахи-доновая кислота, являющаяся источником мощных по метаболическим и физиологическим эффектам веществ - простагландинов и лейкотриенов. В разных клетках организма превалирует один или другой путь образования вторичных посредников, что в конечном счете и определяет физиологический эффект гормона. Через рассмотренную систему вторичных посредников реализуются эффекты адреналина (при связи с альфа-адренорецепто-ром), вазопрессина (при связи с V-1-рецептором), ангиотензина-И, соматостатина, окситоцина.

Система кальций-кальмодулин . Ионизированный кальций поступает в клетку после образования гормон-рецепторного комплекса либо из внеклеточной среды за счет активирования медленных кальциевых каналов мембраны (как это происходит, например, в миокарде), либо из внутриклеточных депо под влиянием инозитол-3-фосфата. В цитоплазме немышечных клеток кальций связывается со специальным белком-кальмодулином, а в мышечных клетках роль кальмодулина выполняет тропонин С. Связанный с кальцием кальмодулин изменяет свою пространственную организацию и активирует многочисленные протеинкиназы, обеспечивающие фосфорилирование, а следовательно изменение структуры и свойств белков. Кроме того комплекс кальций-кальмодулин активирует фосфодиэстеразу цАМФ, что подавляет эффект циклического соединения как вторичного посредника. Вызываемое гормональным стимулом кратковременное увеличение в клетке кальция и его связывание с кальмодулином является пусковым стимулом для многочисленных физиологических процессов - сокращения мышц, секреции гормонов и выделения медиаторов, синтеза ДНК, изменения подвижности клеток, транспорта веществ через мембраны, изменения активности ферментов.

Взаимосвязи вторичных посредников В клетках организма присутствуют или могут образовываться одновременно несколько вторичных посредников. В связи с этим между вторичными посредниками устанавливаются различные взаимоотношения: 1) равнозначное участие, когда разные посредники необходимы для полноценного гормонального эффекта; 2) один из посредников является основным, а другой лишь способствует реализации эффектов первого; 3) посредники действуют последовательно (например, инозитол-3-фосфат обеспечивает освобождение кальция, диацилглицерол облегчает взаимодействие кальция с протеинкиназой С); 4) посредники дублируют друг друга для обеспечения избыточности с целью надежности регуляции; 5) посредники являются антагонистами, т. е. один из них включает реакцию, а другой - тормозит (например, в гладких мышцах сосудов инозитол-3-фосфат и кальций реализуют их сокращение, а цАМФ - расслабление).

I. Проникновение стероида (С) в клетку

II. Образование комплекса СР

Все Р стероидных гормонов представляют собой глобулярные белки примерно одинакового размера, с очень высоким сродством связывающие гормоны

III. Трансформация СР в форму, способную связываться ядерными акцепторами [СР]

Любая клетка содержит всю генетическую информацию. Однако при специализации клетки большая часть ДНК лишается возможности быть матрицей для синтеза иРНК. Это достигается путем сворачивания вокруг белков гистонов, что ведет к препятствию транскрипции. В связи с этим генетический материал клетки можно разделить на ДНК 3-х видов:

1.транскрипционно неактивная

2.постоянно экспрессируемая

3.индуцируемая гормонами или другими сигнальными молекулами.

IV. Связывание [СР] с хроматиновым акцептором

Следует отметить, что этот этап действия С полностью не изучен и имеет ряд спорных моментов. Считается что [СР] взаимодействует со специфическими участками ДНК так, что это дает возможность РНК-полимеразе вступить в контакт к определенным доменам ДНК.

Интересным является опыт, который показал, что период полужизни иРНК при стимуляции гормоном увеличивается. Это приводит к многим противоречиям: становится непонятно ¾ увеличение количества иРНК свидетельствует, о том что [СР] повышает скорость транскрипции или увеличивает период полужизни иРНК; в то же время увеличение полужизни иРНК объясняется наличием большого числа рибосом в гормон-стимулированной клетке, которые стабилизируют иРНК или другим действием [СР] неизвестным для нас на сегодняшний момент.

V. Избирательная инициация транскрипции специфических иРНК; координированный синтез тРНК и рРНК

Можно полагать, что основной эффект [СР] состоит в разрыхлении конденсированного хроматина, что ведет к открыванию доступа к нему молекул РНК-полимеразы. Повышение количества иРНК приводит к увеличению синтеза тРНК и рРНК.

VI. Процессинг первичных РНК

VII. Транспорт мРНК в цитоплазму

VIII. Синтез белка

IX. Посттрансляционная модификация белка

Однако, как показывают исследования, это основной, но не единственно возможный механизм действия гормонов. Например, андрогены и эстрогены вызывают увеличение в некоторых клетках цАМФ что дает возможность предположить, что для стероидных гормонов имеются также мембранные рецепторы. Это показывают что стероидные гормоны действуют на некоторые чувствительные клетки как водорастворимые гормоны.

Вторичные посредники

Пептидные гормоны, амины и нейромедиаторы в отличие от стероидов ¾ гидрофильные соединения и не способны легко проникать через плазматическую мембрану клетки. Поэтому они взаимодействуют с расположенными на поверхности клетки мембранными рецепторами. Гормон-рецепторное взаимодействие иницирует высококоординированную биологическую реакцию, в которой могут участвовать многие клеточные компоненты, причем некоторые из них расположены на значительном расстоянии от плазматической мембраны.

цАМФ ¾ первое соединение, которое открывший его Сазерленд назвал «вторым посредником», потому что «первым посредником» он считал сам гормон, вызывающий внутриклеточный синтез «второго посредника», который опосредует биологический эффект первого.

На сегодняшний день можно назвать не менее 3 типов вторичных посредников: 1)циклические нуклеотиды (цАМФ и цГМФ); 2)ионы Ca и 3)метаболиты фосфатидилинозитола.

С помощью таких систем небольшое число молекул гормона, связываясь с рецепторами, вызывает продукцию гораздо большего числа молекул второго посредника, а последние в свою очередь влияют на активность еще большего числа белковых молекул. Таким образом, происходит прогрессивная амплификация сигнала, исхдно возникающего при связывании гормона с рецептором.

ЦАМФ

Упрощенно действие гормона через цАМФ можно представить так:

1. гормон + стереоспецифический рецептор

2. активация аденилатциклазы

3. образование цАМФ

4. обеспечение цАМФ координированной реакции

Гормон Внешняя среда

Рецептор Мембрана

5’-цАМФ 3’,5’-цАМФ АТФ

Неактивная протеинкиназа

Фосфодиэстераза

Активная протеинкиназа

Дефосфопротеин Фосфопротеин

Фосфопротеинфосфатаза

Биологический эффект

Рис 1

1.Следует отметить, что рецепторы тоже являются динамическими структурами. Это означает, что их количество может или снижаться или повышаться. Например у людей с увеличенной массой тела уменьшается количество рецепторов инсулина. Опыты показали, что при нормализации их массы замечается увеличение количества рецепторов до нормального уровня. Иными словами, при повышении или снижении концентрации инсулина имеют место реципрокные изменения концентрации рецепторов. Считается, что это явление может защитить клетку от слишком интенсивной стимуляции при неадекватно высоком уровне гормона.

2.Активация аденилатциклазы (А) тоже является регулируемым процессом. Ранее считалось, что гормон (Г), связываясь с рецептором (Р), изменяет его конформацию, что приводит к активированию А. Однако оказалось, что А, является аллостерическим ферментом, который активируется под действием ГТФ. ГТФ переносит специальный белок (трансдуктор) G. В связи с этим была принята модель, описывающая не только активацию А, но и терминацию этого процесса

а) Г + Р + G·ГДФ ® Г·Р·G + ГДФ

б) Г·Р·G + ГТФ ® Г + Р + G·ГТФ

в) G·ГТФ + А ® ­цАМФ + G·ГДФ

Таким образом, «выключающим» систему сигналом служит гидролиз ГТФ. Для возобновления цикла ГДФ должен отсоединиться от G, что происходит при связывании гормона с Р.

Некоторые факторы оказывают ингибирующее действие на А и вызывают снижение концентрации цАМФ. Примерами агонистов стимулирующих циклазу, могут служить глюкагон, АДГ, ЛГ, ФСГ, ТТГ и АКТГ. К факторам ингибирующим циклазу, относятся опиоиды, соматостатин, ангиотензин II и ацетилхолин. Адреналин может как стимулировать (через b-рецепторы), так и ингибировать (через a-рецепторы) данный фермент. Возникает вопрос каким же образом осуществляется двунаправленная регуляция А. Оказалось, что ингибирующая система включает в себя трехмерный белок, чрезвычайно похожий на приведенный выше G-белок. Эффект Gи может быть описан следующим образом:

а) Г + Р + Gи·ГДФ ® Г·Р· Gи + ГДФ

б) Г·Р·Gи + ГТФ ® Г + Р + Gи·ГТФ

в) Gи·ГТФ + А ® ¯цАМФ + Gи·ГДФ

После фосфорилирования белков-ферментов в ходе выше описанных реакций (см. рис 1) изменяется их конформация. Следовательно изменяется и конформация их активного центра, что ведет к их активированию или ингибированию. Получается, что благодаря вторичному посреднику цАМФ в клетке активируются или ингибируется действие специфичных для нее ферментов, что вызывает определенный биологический эффект свойственный для этой клетки. В связи с этим несмотря на большое количество ферментов, которые действуют через вторичный посредник цАМФ, в клетке возникает определенный, специфический ответ.

При передаче сигналов в клетке первичными посредниками являются химические соединения или физические факторы (квантсвета), способные активировать механизм передачи сигнала в клетке. По отношению к воспринимающей клетке первичные посредники являются экстраклеточными сигналами. Стоит отметить, что в качестве экстраклеточных стимулов могут выступать и молекулы в изобилии присутствующие внутри клетки, но находящиеся в норме в очень низкой концентрации в межклеточном пространстве (например,АТФилиглутамат). В зависимости от функций первичные посредники могут быть разделены на несколько групп:

• цитокины

  нейротрансмиттеры

  факторы роста

  хемокины

Рецепторы – особые белки, обеспечивающие получение клеткой сигнала от первичных посредников. Для этих белков первичные посредники являются лигандами.

Для обеспечения рецепторной функции молекулы белков должны отвечать ряду требований:

Обладать высокой избирательностью к лиганду;

Кинетикасвязываниялигандадолжна описываться кривой с насыщением, соответствующим состоянию полной занятости всех молекул рецепторов, число которых на мембране ограничено;

Рецепторы должны обладать тканевой специфичностью, отражающей наличие или отсутствие данных функций в клетках органа-мишени;

Связывание лиганда и его клеточный (физиологический) эффект должны быть обратимы, параметры сродства должны соответствовать физиологическим концентрациям лиганда.

Клеточные рецепторы делятся на следующие классы:

мембранные

• рецепторные тирозинкиназы

  рецепторы, сопряжённые с G-белками

  ионные каналы

цитоплазматические

Мембранные рецепторы распознают крупные (например, инсулин) или гидрофильные (например, адреналин) сигнальные молекулы, которые не могут самостоятельно проникать в клетку. Небольшие гидрофобные сигнальные молекулы (например, трийодтиронин,стероидные гормоны, CO, NO) способны проникать в клетку за счётдиффузии. Рецепторы таких гормонов обычно являются растворимыми цитоплазматическими или ядерными белками. После связывания лиганда с рецептором информация об этом событии передаётся дальше по цепи и приводит к формированию первичного и вторичного клеточного ответа.

Механизмы активации рецепторов . Если внешняя сигнальная молекулавоздействует нарецепторыклеточной мембраны и активирует их, то последние передают полученную информацию на систему белковых компонентов мембраны, называемую каскадом передачи сигнала. Мембранные белки каскада передачи сигнала подразделяют на:

белки-преобразователи, связанные с рецепторами

ферменты-усилители, связанные с белками-преобразователями (активируютвторичные внутриклеточные посредники, переносящие информацию внутрь клетки).

Так действуют рецепторы, сопряженные с G-белками. Другие рецепторы (ионные каналы, рецепторы спротеинкиназнойактивностью) сами служат умножителями.

4.3.2. Вторичные посредники

Это низкомолекулярные вещества, которые образуются или высвобождаются в результате ферментативной активности одного из компонентов цепи передачи сигнала и способствуют его дальнейшей передаче и амплификации. Вторичные посредники характеризуются следующими свойствами: имеют небольшую молекулярную массу и с высокой скоростью диффундируютвцитоплазме; быстро расщепляются и быстро удаляются из цитоплазмы. Ко вторичным посредникам относятся:

Ионы кальция(Ca2+);

циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) и циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ)

инозитолтрифосфат

липофильные молекулы (например, диацилглицерол);

оксид азота(NO) (эта молекула выступает и в роли первичного посредника, проникающего в клетку извне).

Иногда в клетке образуются и третичные посредники. Так, обычно ионы Ca2+ выступают в роли вторичного посредника, но при передаче сигнала с помощью инозитолтрифосфата (вторичный посредник) выделяющиеся при его участии из ЭПРионы Ca2+ служат третичным посредником.

Механизм передачи сигнала предполагает примерно следующую схему:

Взаимодействие внешнего агента (стимула) с клеточным рецептором,

Активация эффекторной молекулы, находящейся в мембране и отвечающей за генерацию вторичных посредников,

Образование вторичных посредников,

Активация посредниками белков-мишеней, вызывающих генерацию следующих посредников,

Исчезновение посредника.

Передача сигнала в клетке (клеточная сигнализация) - это часть сложной системы коммуникации, которая управляет основными клеточными процессами и координирует действия клетки. Возможность клеток корректно отвечать на изменения окружающей их среды (microenvironment) является основой развития, репарации тканей,иммунитетаи системы поддержаниягомеостазав целом. Ошибки в системах обработки клеточной информации могут привести краку,аутоиммунным заболеваниямидиабету. Понимание механизмов передачи сигнала внутри клетки может привести к разработке методов лечения заболеваний и даже созданию искусственных тканей.

Традиционно биологические исследования сфокусированы на изучении отдельных частей системы передачи сигнала. Знания о компонентах сигнальных систем помогают понять общую структуру сигнальных систем клетки и то, как изменения в них могут повлиять на передачу и утечку информации. Системы передачи сигнала в клетке являются сложно организованными комплексами и обладают такими качествами, как ультрачувствительность и бистабильность (возможность находиться в одном из двух существующих состояний). Анализ систем передачи сигнала в клетке затрагивает комбинацию экспериментальных и теоретических исследований, которые включают в себя развитие и анализ моделей и симуляторов.

Резюме. В данной главе рассмотрены основные закономерности и проблемы молекулярной биологии на примере явления программируемой клеточной смерти (апоптоза), межклеточного и внутриклеточного взаимодействия, использования молекулярно-генетических маркеров (на примере полимеразно-цепной реакции) в фундаментальных и прикладных целях.

Контрольные задания

Происхождение и эволюция апоптоза у разных групп организмов.

Характеристика и основные пути индукции основных фаз апоптоза.

Основные механизмы регуляции апоптоза.

Патологии, обусловленные нарушениями процесса апоптоза.

Основные типы молекулярно-генетических маркеров.

История открытия, методика проведения полимеразно-цепной реакции.

Особенности проведения и применения основных разновидностей ПЦР.

Значение сигнальной трансдукции при межклеточных и внутриклеточных взаимодействиях.

Механизмы активации рецепторных белков.

Механизмы передачи сигналов при межклеточном взаимодействии.

Гормоны. Что это?

Номенклатура и классификация гормонов

Принципы передачи гормонального сигнала клеткам-мишеням

Гидрофильные гормоны

Метаболизм пептидных гормонов

Инактивация и деградация

Механизм действия гидрофильных гормонов

Вторичные мессенджеры

Циклический АМФ

Роль ионов кальция

Основные представители гидрофильных гормонов

Гистамин

Серотонин

Мелатонин

Катехоламиновые гормоны

Пептидные и белковые гормоны

Тиреотропин

Инсулин

Глюкагон

Гастрин

Заключение

Список литературы

Гормоны. Что это?

Гормоны - сигнальные вещества, образующиеся в клетках эндокринных желез. После синтеза гормоны поступают в кровь и переносятся к органам-мишеням, где выполняют определенные биохимические и физиологические регуляторные функции.

Каждый гормон является центральным звеном сложной системы гормональной регуляции. Гормоны синтезируются в виде предшественников, прогормонов, а зачастую и депонируются, в специализированных клетках эндокринных желез. Отсюда они по мере метаболической необходимости поступают в кровоток. Большинство гормонов переносится в виде комплексов с плазматическими белками, так называемыми переносчиками гормонов, причем связывание с переносчиками носит обратимый характер. Гормоны разрушаются соответствующими ферментами, обычно в печени. Наконец, гормоны и продукты их деградации выводятся из организма экскреторной системой, обычно почками. Все перечисленные процессы влияют на концентрацию гормонов и осуществляют контроль за передачей сигналов.

В органах-мишенях имеются клетки, несущие рецепторы, способные связывать гормоны и тем самым воспринимать гормональный сигнал. После связывания гормонов рецепторы передают информацию клетке и запускают цепь биохимических реакций, определяющих клеточный ответ на действие гормона.

Используются гормоны в организме для поддержания его гомеостаза, а также для регуляции многих функций (роста, развития, обмена веществ, реакции на изменения условий среды).

Номенклатура и классификация гормонов

Химическая природа почти всех известных гормонов выяснена в деталях (включая первичную структуру белковых и пептидных гормонов), однако до настоящего времени не разработаны общие принципы их номенклатуры. Химические наименования многих гормонов точно отражают их химическую структуру и очень громоздкие. Поэтому чаще применяются тривиальные названия гормонов. Принятая номенклатура указывает на источник гормона (например, инсулин - от лат. insula - островок) или отражает его функцию (например, пролактин, вазопрессин). Для некоторых гормонов гипофиза (например, лютеинизирующего и фолликулостимулирующего), а также для всех гипоталамических гормонов разработаны новые рабочие названия.

Аналогичное положение существует и в отношении классификации гормонов. Гормоны классифицируют в зависимости от места их природного синтеза, в соответствии с которым различают гормоны гипоталамуса, гипофиза, щитовидной железы, надпочечников, поджелудочной железы, половых желез, зобной железы и др. Однако подобная анатомическая классификация недостаточно совершенна, поскольку некоторые гормоны или синтезируются не в тех железах внутренней секреции, из которых они секретируются в кровь (например, гормоны задней доли гипофиза, вазопрессии и окситоцин синтезируются в гипоталамусе, откуда переносятся в заднюю долю гипофиза), или синтезируются и в других железах (например, частичный синтез половых гормонов осуществляется в коре надпочечников, синтез простагландинов происходит не только в предстательной железе, но и в других органах) и т.д. С учётом этих обстоятельств были предприняты попытки создания современной классификации гормонов, основанной на их химической природе. В соответствии с этой классификацией различают три группы истинных гормонов:

) пептидные и белковые гормоны,

) гормоны - производные аминокислот и 3) гормоны стероидной природы. Четвертую группу составляют эйкозаноиды - гормоноподобные вещества, оказывающие местное действие.

Пептидные и белковые гормоны включают от 3 до 250 и более аминокислотных остатков. Это гормоны гипоталамуса и гипофиза (тиролиберин, соматолиберин, соматостатин, гормон роста, кортикотропин, тиреотропин и др. - см. далее), а также гормоны поджелудочной железы (инсулин, глюкагон). Гормоны - производные аминокислот в основном представлены производными аминокислоты тирозина. Это низкомолекулярные соединения адреналин и норадреналин, синтезирующиеся в мозговом веществе надпочечников, и гормоны щитовидной железы (тироксин и его производные). Гормоны 1-й и 2-й групп хорошо растворимы в воде.

Гормоны стероидной природы представлены жирорастворимыми гормонами коркового вещества надпочечников (кортикостероиды), половыми гормонами (эстрогены и андрогены), а также гормональной формой витамина D.

Эйкозаноиды, являющиеся производными полиненасыщенной жирной кислоты (арахидоновой), представлены тремя подклассами соединений: простагландины, тромбоксаны и лейкотриены. Эти нерастворимые в воде и нестабильные соединения оказывают своё действие на клетки, находящиеся вблизи их места синтеза.

Принципы передачи гормонального сигнала клеткам-мишеням

Известны два основных типа передачи гормонального сигнала клеткам-мишеням. Липофильные гормоны проникают в клетку, а затем поступают в ядро. Гидрофильные гормоны оказывают действие на уровне кпеточной мембраны.

гидрофильный гормон гормональный сигнал

Липофильные гормоны, к которым относятся стероидные гормоны, тироксин и ретиноевая кислота, свободно проникают через плазматическую мембрану внутрь клетки, где взаимодействуют с высокоспецифическими рецепторами. Гормон-рецепторный комплекс в форме димера связывается в ядре с хроматином и инициирует транскрипцию определенных генов. Усиление или подавление синтеза мРНК (mRNA) влечет за собой изменение концентрации специфических белков (ферментов), определяющих ответ клетки на гормональный сигнал.

Гормоны, являющиеся производными аминокислот, а также пептидные и белковые гормону, образуют группу гидрофильных сигнальных веществ. Эти вещества связываются со специфическими рецепторами на внешней поверхности плазматической мембраны. Связывание гopмона передает сигнал на внутреннюю поверхность мембраны и тем самым запускает синтез вторичных мессенджеров (посредников). Молекулы-посредники потенциируют клеточный ответ на действие гормона.

Гидрофильные гормоны

Определение.

Гидрофильные гормоны и гормоноподобные вещества построены из аминокислот как, например, белки и пептиды, или являются производными аминокислот. Они депонируются в больших количествах в клетках желез внутренней секреции и поступают в кровь по мере необходимости. Большинство этих веществ переносятся в кровотоке без участия переносчиков. Гидрофильные гормоны действуют на клетки-мишени за счет связывания с рецептором на плазматической мембране.

Метаболизм пептидных гормонов

Биосинтез.

В отличие от стероидов пептидные и белковые гормоны являются первичными продуктами биосинтеза. Соответствующая информация считывается с ДНК (DNA) на стадии транскрипции, а синтезированная гяРНК (hnRNA) освобождается от интронов за счет сплайсинга (1). мРНК (mRNA) кодирует последовательность пептида, который чаще всего существенно превышает по молекулярной массе зрелый гормон. Исходная аминокислотная цепь включает сигнальный пептид и пропептид - предшественник гормона. Трансляция мРНК происходит на рибосомах по обычной схеме (2). Вначале синтезируется сигнальный пептид. Его функция состоит в том, чтобы связать рибосомы на шероховатом эндоплазматическом ретикулуме [ШЭР (rER)] и направить растущую пептидную цепь в просвет ШЭР (3). Синтезированный продукт является предшественником гормона, прогормоном. Созревание гормона происходит путем ограниченного протеолиза и последующей (посттрансляционной) модификации, например образования дисульфидных мостиков, гликозилирования и фосфорилирования (4). Зрелый гормон депонируется в клеточных везикулах, откуда секретируется по мере необходимости за счет экзоцитоза.

Биосинтез пептидных и белковых гормонов и их секреция находятся под контролем иерархической системы гормональной регуляции. В этой системе в качестве вторичного мессенджера принимают участие ионы кальция; увеличение концентрации кальция стимулирует синтез и секрецию гормонов.

Анализ гормональных генов показывает, что иногда многие совершенно разные пептиды и белки кодируются одним и тем же геном. Одним из наиболее изученных является ген проопиомеланокортина [ПОМК (POMC)]. Наряду с нуклеотидной последовательностью, соответствующей кортикотропину [адренокортикотропный гормон, АКТГ (АСТН)], этот ген включает перекрывающиеся последовательности, кодирующие ряд небольших пептидных гормонов, а именно α-, β - и γ-меланотропинов [МСГ (MSH)], β - и γ - липотропинов (ЛПГ (LPH)], β-эндорфина и мет-энкефалина. Последний гормон может также образовываться из β-эндорфина. Прогормоном для этого семейства является так называемый полипротеин. Сигнал о том, какой пептид должен быть получен и секретирован, поступает из системы регуляции после завершения синтеза препропептида. Наиболее важным секретируемым продуктом, полученным из гипофизарного полипротеина кодируемого геном ПОМК, является гормон кортикотропин (АКТГ), стимулирующий секрецию кортизола корой надпочечников. Биологические функции других пептидов до конца не выяснены.

Инактивация и деградация

Деградация пептидных гормонов часто начинается уже в крови или на стенках кровеносных сосудов, особенно интенсивно этот процесс идет в почках. Некоторые пептиды, содержащие дисульфидные мостики, например инсулин, могут инактивироваться за счет восстановления остатков цистина (1), Другие белково-пептидные гормоны гидролизуются протеиназами, а именно экзо - (2) (по концам цепи) и эндопептидазами (3). Протеолиз приводит к образованию множества фрагментов, некоторые из которых могут проявлять биологическую активность. Многие белково-пептидные гормоны удаляются из системы циркуляции за счет связывания с мембранным рецептором и последующего эндоцитоза гормон-рецепторного комплекса. Деградация таких комплексов происходит в лизосомах, конечным продуктом деградации являются аминокислоты, которые вновь используются в качестве субстратов в анаболических и катаболических процессах.

Липофильные и гидрофильные гормоны имеют различный полупериод существования в системе циркуляции (точнее биохимический полупериод, t1/2). По сравнению с гидрофильными гормонами (t1/2 несколько минут или часов) липофильные гормоны живут существенно дольше (t1/2 составляет несколько часов или дней). Биохимический полупериод гормонов зависит от активности системы деградации. Воздействие на систему деградации лекарственными препаратами или повреждение тканей может вызвать изменение скорости распада, а следовательно, и концентрации гормонов.

Механизм действия гидрофильных гормонов

Большинство гидрофильных сигнальных веществ не способны проходить через липофильную клеточную мембрану. Поэтому передача сигнала в клетку осуществляется через мембранные рецепторы (проводники сигнала). Рецепторы - это интегральные мембранные белки, которые связывают сигнальные вещества на внешней стороне мембраны и за счет изменения пространственной структуры генерируют новый сигнал на внутренней стороне мембраны. Данным сигналом определяется транскрипция определенных генов и активность ферментов, которые контролируют обмен веществ и взаимодействуют с цитоскелетом.

Различают три типа рецепторов.

Рецепторы первого типа являются белками, имеющими одну трансмембранную полипептидную цепь. Это аллостерические ферменты, активный центр которых расположен на внутренней стороне мембраны. Многие из них являются тирозиновыми протеинкиназами. К этому типу принадлежат рецепторы инсулина, ростовых факторов и цитокинов.

Связывание сигнального вещества ведет к димеризации рецептора. При этом происходит активация фермента и фосфорилирование остатков тирозина в ряде белков. В первую очередь фосфорилируется молекула рецептора (автофосфорилирование). С фосфотирозином связывается SН2-домен белка-переносчика сигнала, функция которого состоит в передаче сигнала внутриклеточным протеинкиназам.

Ионные каналы. Эти рецепторы второго типа являются олигомерными мембранными белками, образующими лиганд-активируемый ионный канал. Связывание лиганда ведет к открыванию канала для ионов Na+, К+ или Cl-. По такому механизму осуществляется действие нейромедиаторов, таких, как ацетилхолин (никотиновые рецепторы: Na+ - и К+-каналы) и γ-аминомасляная кислота (А-рецептор: Cl--канал).

Рецепторы третьего типа, сопряженные с ГТФ - связывающими белками. Полипептидная цепь этих белков включает семь трансмембранных тяжей. Такие рецепторы передают сигнал с помощью ГТФ-связывающих белков на белки-эффекторы, которые являются сопряженными ферментами или ионными каналами. Функция этих белков заключается в изменении концентрации ионов или вторичных мессенджеров.

Таким образом, связывание сигнального вещества с мембранным рецептором влечет за собой один из трех вариантов внутриклеточного ответа: рецепторные тирозинкиназы активируют внутриклеточные протеинкиназы, активация лиганд-активируемых ионных каналов ведет к изменению концентрации ионов и активация рецепторов, сопряженных с ГТФ-связывающими белками, индуцирует синтез веществ-посредников, вторичных мессенджеров. Все три системы передачи сигнала взаимосвязаны. Так, например, образование вторичного мессенджера цАМФ (сАМР) приводит к активации протеинкиназ А [ПК-А (PK-A)], вторичный мессенджер диацилглицерин [ДАГ (DAG)] активирует [ПК-С (PK-C)], а вторичный мессенджер инозит-1,4,5-трифосфат [ИФ3 (InsP3)] вызывает повышение концентрации ионов Са2+ в цитоплазме клетки.

Преобразование сигнала G-белками.белки (англ. G proteins) - это семейство белков, относящихся к ГТФазам и функционирующих в качестве вторичных посредников во внутриклеточных сигнальных каскадах. G-белки названы так, поскольку в своём сигнальном механизме они используют замену GDP на GTP как молекулярный функциональный "выключатель" для регулировки клеточных процессов.белки переносят сигнал с рецептора третьего типа на белки-эффекторы. Они построены из трех субъединиц: α, β и γ. α-cубъединица обладает свойством связывать гуаниновые нуклеотиды [ГТФ (GTP) или ГДФ (GDP)]. Белок проявляет слабую ГТФ-азную активность и похож на другие ГТФ-связывающие белки, такие, как ras и фактор элонгации Tu (EF-Tu). В неактивном состоянии G-белок связан с ГДФ.

При связывании сигнального вещества с рецептором третьего типа конформация последнего изменяется таким образом, что комплекс приобретает способность связывать G-белок. Ассоциация G-белка с рецептором приводит к обмену ГДФ на ГТФ (1). При этом происходит активация G-белка, он отделяется от рецептора и диссоциирует на α-субъединицу и β,γ-комплекс. ΓΤΦ-α субъединица связывается с белками-эффекторами и изменяет их активность, в результате чего происходит открывание или закрывание ионных каналов, активация или ингибирование ферментов (2). Медленный гидролиз связанного ГТФ до ГДФ переводит α-субъединицу в неактивное состояние и она вновь ассоциирует с β,γ-комплексом, т.е. G-белок возвращается в исходное состояние.

Вторичные мессенджеры

Вторичные мессенджеры, или посредники, это внутриклеточные вещества, концентрация которых строго контролируется гормонами, нейромедиаторами и другими внеклеточными сигналами. Такие вещества образуются из доступных субстратов и имеют короткий биохимический полупериод. Наиболее важными вторичными мессенджерами являются цАМФ (сAMP), цГТФ (cGTP), Са2+, инозит-1,4,5-трифосфат [ИФ3 (lnsP3)], диацилглицерин [ДАГ (DAG)] и монооксид азота (NO).

Циклический АМФ

Биосинтез. Нуклеотид цАМФ (3",5"-циклоаденозинмонофосфат, сАМР} синтезируется мембранными аденилатциклазами - семейством ферментов, катализирующих реакцию циклизации АТФ (АТР) с образованием цАМФ и неорганического пирофосфата. Расщепление цАМФ с образованием АМФ (AMP) катализируется фосфодиэстеразами , которые ингибируются при высоких концентрациях метилированных производных ксантина, например кофеином.

Активность аденилатциклазы контролируется G-белками, которые в свою очередь сопряжены с рецепторами третьего типа, управляемыми внешними сигналами. Большинство G-белков (Gs-белки) активируют аденилатциклазу, некоторые G-белки ее ингибируют (Gi-белки). Некоторые аденилатциклазы активируются комплексом Са2+/кальмодулин.

Механизм действия. цАМФ является аллостерическим эффектором протеинкиназ А (ПК-Α) и ионных каналов (см. с.372). В неактивном состоянии ПК-Α является тетрамером, две каталитические субъединицы (К-субъединицы) которого ингибированы регуляторными субъединицами (Р-субъединицы) (аутоингибирование). При связывании цАМФ Р-субъединицы диссоциируют из комплекса и К-единицы активируются. Фермент может фосфорилировать определенные остатки серина и треонина в более чем 100 различных белках, в том числе во многих ферментах (см. с.158) и факторах транскрипции. В результате фосфорилирования изменяется функциональная активность этих белков.

Наряду с цАМФ функции вторичного мессенджера может выполнять и цГМФ (cGMP). Оба соединения различаются по метаболизму и механизму действия.

Роль ионов кальция

Уровень ионов кальция. Концентрация ионов Са2+ в цитоплазме нестимулированной клетки очень низка (10-100 нМ). Низкий уровень поддерживается кальциевыми АТФ-азами (кальциевыми насосами) и натрий-кальциевыми обменниками. Резкое повышение концентрации ионов Са2+ в цитоплазме (до 500-1000 нМ) происходит в результате открывания кальциевых каналов плазматической мембраны или внутриклеточных кальциевых депо (гладкого и шероховатого эндоплазматического ретикулума). Открывание каналов может быть вызвано деполяризацией мембран или действием сигнальных веществ, нейромедиаторов (глутамат и АТФ, см. с.342), вторичных мессенджеров (ИФ3 и цАМФ), а также вещества растительного происхождения рианодина. В цитоплазме и клеточных органеллах имеется множество белков способных связывать Са2+, некоторые из них выполняют роль буфера.

При высокой концентрации в цитоплазме ионы Са2+ оказывает на клетку цитотоксическое действие. Поэтому уровень кальция в отдельной клетке испытывает кратковременные всплески, увеличиваясь в 5-10 раз, а стимуляция клетки увеличивает лишь частоту этих флуктуаций.

Действие кальция опосредовано специальными Са2+-связывающими белками ("кальциевыми сенсорами"), к которым принадлежат аннексин, кальмодулин и тропонин (см. с.326). Кальмодулин - сравнительно небольшой белок (17 кДа) - присутствует во всех животных клетках. При связывании четырех ионов Са2+ (на схеме голубые кружочки) кальмодулин переходит в активную форму, способную взаимодействовать с многочисленными белками. За счет активации кальмодулина ионы Са2+ оказывают влияние на активность ферментов, ионных насосов и компонентов цитоскелета.

Инозит-1,4,5-трифосфат и диацилглицерин

Гидролиз фосфатидилинозит-4,5-дифосфата [ФИФ2 (PlnsP2)] фосфолипазой С приводит к образованию двух вторичных мессенджеров: инозит-1,4,5-трифосфата и диацилглицерина. Гидрофильный ИФ3 поступает в эндоплазматический ретикулум [ЭР (ЕR)] и индуцирует высвобождение ионов Са2+ из запасающих везикул. Липофильный ДАГ остается в мембране и активирует протеинкиназу C, которая в присутствии Са2+ фосфорилирует различные белковые субстраты, модулируя их функциональную активность.

Основные представители гидрофильных гормонов

Производные аминокислот.

Естественно, самыми большими группами гормонов являются стероидные гормоны и пептидные гормоны. Но есть и другие группы.

Биогенные амины (гистамин, серотонин, мелатонин) и катехоламины (дофа, дофамин, норадреналин и адреналин) образуются путем декарбоксилирования аминокислот.

Гистамин

Гистамин в человеческом организме - тканевый гормон, медиатор, регулирующий жизненно важные функции организма и играющий значительную роль в патогенезе ряда болезненных состояний.

Этот гормон депонируется в тучных клетках и базофилах в виде комплекса с гепарином, свободный гистамин быстро деактивируется окислением, катализируемым диаминоксидазой, либо метилируется гистамин-N-метилтрансферазой. Конечные метаболиты гистамина - имидазолилуксусная кислота и N-метилгистамин выводятся с мочой.

Гистамин в организме человека находится в неактивном состоянии. При травмах, стрессе, аллергических реакциях количество свободного гистамина заметно увеличивается. Количество гистамина увеличивается и при попадании в организм различных ядов, определенных пищевых продуктов, а также некоторых лекарств.

Свободный гистамин вызывает спазм гладких мышц (включая мышцы бронхов и сосудов), расширение капилляров и понижение артериального давления, застой крови в капиллярах и увеличение проницаемости их стенок, вызывает отёк окружающих тканей и сгущение крови, стимулирует выделение адреналина и учащение сердечных сокращений.

Гистамин оказывает свое действие через конкретные клеточными рецепторами гистамина. В настоящее время выделяют три группы рецепторов гистамина, которые обозначаются H1, H2 и H3.

Гистамин играет значительную роль в физиологии пищеварения. В желудке гистамин секретируется энтерохромаффиноподобными (ECL-) клетками слизистой оболочки. Гистамин является стимулятором продукции соляной кислоты, воздействуя на H2 рецепторы обкладочных клеток слизистой оболочки желудка. Разработан и активно применяется при лечении кислотозависимых заболеваний (язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, ГЭРБ и т.п.) целый ряд лекарств, называемых H2-блокаторами гистаминовых рецепторов, которые блокируют воздействие гистамина на обкладочные клетки, уменьшая тем самым секрецию соляной кислоты в просвет желудка.

Серотонин

Серотонин (5-окситриптамин, 5-НТ) был открыт при поисках сосудосуживающего вещества, содержащегося в крови. Довольно быстро он был идентифицирован с ранее обнаруженным Эрспаймером в кишечнике энтерамином и было расшифровано его химическое строение, оказавшееся весьма простым.

Около 90% серотонина содержится в кишечнике, причём почти исключительно в энтерохромафинных клетках. Также он есть в селезёнке, печени, почках, лёгких, в различных эндокринных железах.

Серотонин есть и в главном мозге (сравнительно много в гипоталамусе и в среднем мозге, меньше в таламусе, гиппокамне, совсем не был найден в мозолистом теле и мозжечке), и в спинном мозге.

Серотонин образуется из аминокислоты триптофана путём её последовательного 5-гидроксилирования ферментом 5-триптофангидроксилазой (в результате чего получается 5-гидрокситриптофан, 5-ГТ) и затем декарбоксилирования получившегося гидрокситриптофана ферментом триптофандекарбоксилазой.5-триптофангидроксилаза синтезируется только в соме серотонинергических нейронов, гидроксилирование происходит в присутствии ионов железа и кофактора птеридина.

Серотонин играет важную роль в процессах свёртывания крови. Тромбоциты крови содержат значительные количества серотонина и обладают способностью захватывать и накапливать серотонин из плазмы крови. Серотонин повышает функциональную активность тромбоцитов и их склонность к агрегации и образованию тромбов. Стимулируя специфические серотониновые рецепторы в печени, серотонин вызывает увеличение синтеза печенью факторов свёртывания крови. Выделение серотонина из повреждённых тканей является одним из механизмов обеспечения свёртывания крови по месту повреждения.

Серотонин участвует в процессах аллергии и воспаления. Он повышает проницаемость сосудов, усиливает хемотаксис и миграцию лейкоцитов в очаг воспаления, увеличивает содержание эозинофилов в крови, усиливает дегрануляцию тучных клеток и высвобождение других медиаторов аллергии и воспаления. Местное (например, внутримышечное) введение экзогенного серотонина вызывает сильную боль в месте введения. Предположительно серотонин наряду с гистамином и простагландинами, раздражая рецепторы в тканях, играет роль в возникновении болевой импульсации из места повреждения или воспаления.

Также большое количество серотонина производится в кишечнике. Серотонин играет важную роль в регуляции моторики и секреции в желудочно-кишечном тракте, усиливая его перистальтику и секреторную активность. Кроме того, серотонин играет роль фактора роста для некоторых видов симбиотических микроорганизмов, усиливает бактериальный метаболизм в толстой кишке. Сами бактерии толстой кишки также вносят некоторый вклад в секрецию серотонина кишечником, поскольку многие виды симбиотических бактерий обладают способностью декарбоксилировать триптофан. При дисбактериозе и ряде других заболеваний толстой кишки продукция серотонина кишечником значительно снижается.

Массивное высвобождение серотонина из погибающих клеток слизистой желудка и кишечника при воздействии цитотоксических химиопрепаратов является одной из причин возникновения тошноты и рвоты, диареи при химиотерапии злокачественных опухолей. Аналогичное состояние бывает при некоторых злокачественных опухолях, эктопически продуцирующих серотонин.

Большое содержание серотонина также отмечается в матке. Серотонин играет роль в паракринной регуляции сократимости матки и маточных труб и в координации родов. Продукция серотонина в миометрии возрастает за несколько часов или дней до родов и ещё больше увеличивается непосредственно в процессе родов. Также серотонин вовлечён в процесс овуляции - содержание серотонина (и ряда других биологически активных веществ) в фолликулярной жидкости увеличивается непосредственно перед разрывом фолликула, что, по-видимому, приводит к увеличению внутрифолликулярного давления.

Серотонин оказывает значительное влияние на процессы возбуждения и торможения в системе половых органов. Например, увеличение концентрации серотонина у мужчин задерживает наступление эякуляции.

Дефицит или ингибирование серотонинергической передачи, например, вызванные снижением уровня серотонина в мозге, является одним из факторов формирования депрессивных состояний и тяжелых форм мигрени.

Гиперактивация серотониновых рецепторов (например, при приёме некоторых наркотиков) может привести к галлюцинациям. C хронически повышенным уровнем их активности может быть связано развитие шизофрении.

Мелатонин

В 1958 году в Йельском университете Лернер с соавторами из 250000 бычьих эпифизов впервые выделили в чистом виде гормон эпифиза, который был идентифицирован как 5-метокси-N-ацетил-трипталин (мелатонин ).

Изменения концентрации мелатонина имеют заметный суточный ритм в шишковидном теле и в крови, как правило, с высоким уровнем гормона в течение ночи и низким уровнем в течение дня.

Синтез мелатонина заключается в том, что циркулирующая в крови аминокислота триптофан поглощается эпифизарными клетками, окисляются до 5-окситриптофана и затем декарбоксилируется до формы биогенного амина - серотонина (синтез серотонина). Ольшая часть серотонина метаболизируется в эпифизе при помощи моноаминоксидазы, которая разрушает серотонин в других органах. Меньшая часть серотонина ацетилируется в шишковидной железе до N-ацетил серотонина, и это вещество затем превращается в 5-метокси-N-ацетилтриптамин (мелатонин). Последний этап образования мелатонина осуществляется под влиянием особого фермента оксиндол-O-метилтрансферазы. Оказалось, что шишковидная железа является почти единственным образованием, где обнаружен этот уникальный фермент.

В отличие от серотонина, который образуется и в центральной нервной системе, и в разнообразных периферических органах и тканях, источником мелатонина является по существу один орган - эпифиз.

Мелатонин регулирует деятельность эндокринной системы, кровяное давление, периодичность сна, сезонную ритмику у многих животных, замедляет процессы старения, усиливает эффективность функционирования иммунной системы, обладает антиоксидантными свойствами, влияет на процессы адаптации при смене часовых поясов.

Кроме того, мелатонин участвует в регуляции кровяного давления, функций пищеварительного тракта и работы клеток головного мозга.

В настоящее время уже хорошо известно, что в шишковидной железе млекопитающих содержание серотонина и мелатонина варьируется определённым образом в течение 24-часового периода.

При нормальных условиях освещения уровень серотонина наибольший днём. С наступлением темноты содержание серотонина в эпифизе быстро понижается (максимальное - через 8 часов после начала светлого периода суток, минимальное - через 4 часа после наступления темноты).

Катехоламиновые гормоны

Адреналин - гормон, синтезируемый в мозговом веществе надпочечных желез. О его существовании известно более столетия. В 1901 г. адреналин был выделен из экстракта надпочечников в кристаллическом состоянии Такамине, Альдрихом и И. Фюртом. Двумя годами позже Ф. Штольц дал окончательное доказательство его структуры путем синтеза. Адреналин оказался 1- (3,4-диоксифенил) - 2-метиламиноэтанолом.

Это бесцветный кристаллический порошок. Обладая асиметрическим атомом углерода, адреналин существует в виде двух оптических изомеров. Из них левовращающий по гормональному действию в 15 раз активнее правовращающего. Именно он синтезируется в надпочечниках.

В мозговом слое надпочечников человека, весящих 10г, содержится около 5 мг адреналина. Кроме того, в них же найдены гомологи адреналина: норадреналин (0,5 мг) и изопропиладреналин (следы).

Адреналин и норадреналин есть также в крови человека. Содержание их в венозной крови составляет 0,04 и 0,2 мкг% соответственно. Предполагают, что адреналин и норадреналин в виде соли с АТФ в небольших количествах откладываются в окончаниях нервных волокон, высвобождаясь в ответ на их раздражение. В результате этого устанавливается химический контакт между окончанием нервного волокна и клеткой или между двумя нейронами.

Все три вещества - адреналин, норадреналин и изопропиладреналин - оказывают мощное влияние на сосудистую систему организма. Кроме того, они повышают уровень обмена углеводов в организме, усиливая распад гликогена в мышцах. Это объясняется тем, что фосфорилаза мышц под опосредствованным аденилатциклазой действием адреналина переходит из неактивной формы (фосфорилаза b) в активную форму (фосфорилаза а).

Таким образом, адреналин в мышцах выполняет ту же функцию, что глюкагон в печени, обеспечивая запуск аденилатциклазной реакции после взаимодействия с поверхностным гормональным рецептором клетки-мишени.

Гормоны симпатоадреналовой системы хотя и не являются жизненно-необходимыми, их роль в организме чрезвычайно велика: именно они обеспечивают адаптацию к острым и хроническим стрессам. Адреналин, норадреналин и домафин - основные элементы реакции "борьбы или бегства" (возникающей, например, при неожиданной встрече с медведем в зарослях черники). Ответ на испытываемый при этом испуг включает в себя быструю интегрированную перестройку многих сложных процессов в органах, непосредственно участвующих в данной реакции (мозг, мышцы, сердечно-лёгочная система и печень). Адреналин в этом "ответе”:

) быстро поставляет жирные кислоты, выполняющие роль главного первичного топлива для мышечной активности;

) мобилизует глюкозу в качестве источника энергии для мозга - путём повышения гликогенолиза и глюконеогенеза в печени и понижения поглощения глюкозы в мышцах и других органах;

) понижает высвобождение инсулина, что также предотвращает поглощение глюкозы периферическими тканями, сберегая её, в результате для центральной нервной системы.

Нервная стимуляция мозгового слоя надпочечников приводит к слиянию хромаффинных гранул с плазматической мембраной, и таким образом обусловливает выброс норадреналина и адреналина путём экзоцитоза. Этот процесс зависит от кальция и подобно другим процессам экзоцитоза стимулируется холинергическими и β-адренергическими агентами и ингибируется α-адренергическими агентами. Катехоламины и АТР высвобождаются в том же соотношении, в каком они присутствуют в гранулах. Это относится и к другим компонентам, включая ДБГ, кальций и хромогранин А.

Обратный захват катехоламинов нейронами - важный механизм, обеспечивающий, с одной стороны, сохранение гормонов, а с другой - быстрое прекращение гормональной или нейромедиаторной активности. В отличие от симпатических нервов мозговой слой надпочечников лишен механизма обратного захвата и запасания выделившихся катехоламинов. Секретируемый надпочечниками адреналин попадает в печень и скелетные мышцы, но затем быстро метаболизируется. Лишь очень небольшая часть норадреналина достигает отдалённых тканей. Катехоламины циркулируют в плазме в слабоассоциированном с альбумином виде. Они очень недолговечны: период их биологической полужизни составляет 10 - 30 сек.

Механизм действия катехоламинов привлекает внимание исследователей почти целое столетие. Действительно, многие общие концепции рецепторной биологии и действия гормонов берут начало ещё в самых разных исследованиях.

Катехоламины действуют через два главных класса рецепторов: α-адренергические и β-адренергические. Каждый из них подразделяется на два подкласса: соответственно α 1 и α 2 , β 1 и β 2 . Данная классификация основана на относительном порядке связывания с различными агонистами и антагонистами. Адреналин связывается (и активирует) как с α-, так и с β-рецепторами, и поэтому его действие на ткань, содержащую рецепторы обоих классов, зависит от относительного сродства этих рецепторов к гормону. Норадреналин в физиологических концентрациях связывается главным образом с α-рецепторами.

Феохромоцитомы представляют собой опухоли мозгового слоя надпочечников, которые обычно не диагностируются до тех пор, пока не начнут продуцировать и секретировать адреналин и норадреналин в количествах, достаточных для появления тяжелого гипертонического синдрома. При феохромоцитоме часто бывает повышено отношение норадреналин/адреналин. Возможно, именно этим и объясняются различия в клинических проявлениях, поскольку норадреналину приписывают основную роль в патогенезе гипертонии, а адреналин считают ответственным за гиперметаболизм.

Пептидные и белковые гормоны

Сейчас известно несколько десятков природных пептидных гормонов, и список их постепенно пополняется.

Благодаря широкому использованию методов бурно развивающейся белковой химии в последние годы ряд пептидных гормонов получен в гомогенном состоянии, изучен их аминокислотный состав, выянена первичная (а в случае белковых гормонов - вторичная, третичная и четвертичная) структура и некоторые из них приготовлены синтетическим путём. Более того, большие успехи, достигнутые в области химического синтеза пептидов, позволили искусственно получить множество пептидов, являющихся изомерами или аналогами натуральных пептидов. Изучение гормональной активности последних принесло исключительно важную информацию о взаимосвязи структуры пептидных гормонов с их функцией.

Важнейшими пептидными гормонами являются тиреотропин, инсулин, глюкагон, гастрин, окситоцин, вазопрессин.

Тиреотропин

Тиреотропин - белок, выделяемый передней долей гипофиза. Он предствляет собой гликопротеин с М = 28300, составленный из двух неравных субъединиц (М = 13600 и 14 700), исключетельно богатых дисульфидными мостиками (5 и 6 соответственно). Первичная структура тиреотропина быка и свиньи выясненаю При недостатке тиреотропина (гипофункция гипофиза) ослабляется деятельность щитовидной железы, она уменьшается в размерах, а содержание в крови выделяемого ею гормона - тироксина - сокращается вдвое.

Таким образом, тиреотропин стимулирует деятельность щитовидной железы. В свою очередь, выделение тиреотропина регулируется по принципу обратной связи гормонами щитовидной железы. Следовательно, деятельность двух упомянутых желез внутренней секреции тонко координирована.

Введение тиреотропина вызывает множественные сдвиги в обмене веществ: через 15-20 минут повышается секреция гормонов щитовидной железы и усиливается поглощение ею йода, необходимого для синтеза этих гормонов; повышается поглощение кислорода щитовидной железой, возрастает окисление глюкозы, активируется обмен фосфолипидов и новообразование РНК. Сейчас выяснено, что механизм действия тиреотропина, как и многих других пептидных гормонов, сводится к активированию аденилатциклазы, расположенной в непосредственной близости от рецепторного белка, с которым связывается тиреотропин. Как следствие этого, в щитовидной железе ускоряется ряд процессов, в том числе и биосинтез тиреоидных гормонов.

Инсулин

Инсулин - белок, вырабатываемый в β-клетках поджелудочной железы. Его строение детально изучено. Инсулин был первым белком, у которого Ф. Сангером была выяснена первичная структура. Он же явился первым белком, полученным путем химического синтеза.

Впервые наличие в железе гормона, влияющего на углеводный обмен, было отмечено Мерингом и О. Миньковским (1889). Позднее Л.В. Соболев (1901) установил, что источником инсулина в поджелудочной железе служит её островковая часть, в связи с чем в 1909 году этот гормон, не будучи ещё индивидуализирован, получил наименование - инсулин (от лат. insula - остров). В 1992 году Ф. Бантинг и Г. Бест впервые приготовили активный препарат инсулина, а к 1926 году были разработаны способы его выделения в высокоочищенном состоянии, в том числе в виде кристаллических препаратов, содержащих 0,36% Zn.

Инсулин синтезируется в бета-клетках островков Лангерганса обычным механизмом синтеза белка. Трансляция инсулина начинается на рибосомах, связанных с эндоплазматическим ретикулумом, с образования препрогормона инсулина. Этот исходный препрогормон с молекулярной массой 11500 в эндоплазматическом ретикулуме расщепляется до проинсулина с молекулярной массой около 9000. Далее в аппарате Гольджи большая его часть дробится на инсулин, упаковывающийся в секреторные гранулы, и пептидный фрагмент. Однако почти 1/6 часть конечного секретируемого продукта остается в форме проинсулина. Проинсулин является неактивной формой гормона.

Молекулярная масса кристаллического инсулина равна 36 000. Его молекула представляет собой мультимер, составленный из шести протомеров и двух атомов Zn. Протомеры образуют димеры, которые взаимодействуют с имидазольными ядрами радикалов гис 10 цепи B и способствуют их агретации в гексамер. Распадаясь, мультимер дает три субчастицы с молекулярной массой 12 000 каждая. В свою очередь, каждая субчастица расщепляется на две равные части с М = 6000. Все перечисленные модификации инсулина - протомер, дамер и гексамер - обладают полной гормональной активностью. Поэтому часто молекулу инсулина отождествляют с протомером, обладающим полной биологической активностью (М = 6000), тем более, что в физиологических условиях инсулин существуют в мономерной форме. Дальнейшее фрагментирование молекулы инсулина (с М = 6000) на цепь А (из 21 аминокислотного остатка) и цепь В (из 30 аминокислотных остатков) ведет к утрате гормональных свойств.

Инсулины, выделенные из поджелудочной железы различных животных, почти идентичны по первичной структуре. При недостаточном уровне биосинтеза инсулина в поджелудочной железе человека (в норме ежесуточно синтезируется 2 мг инсулина) развивается характерное заболевание - диабет, или сахарное мочеизнурение. При этом повышается содержание глюкозы в крови (гипергликемия) и растет выведение глюкозы с мочой (глюкозурия). Одновременно развивается различные вторичные явления - падает содержание гликогена в мышцах, замедляется биосинтез пептидов, белков и жиров, нарушается минеральный обмен и т.п.

Введение инсулина путем инъекции или per os (в рот) в виде препарата, инкапсулированного в липосомы, вызывает противоположный эффект: понижение содержания глюкозы в крови, повышение запасов гликогена в мышцах, усиление анаболических процессов, нормализацию минерального обмена и т.д. Все перечисленные выше явления представляют результат изменения под воздействием инсулина проницаемости для глюкозы клеточных мембран, на поверхности которых выявлены высоко - и низкоаффинные Ca 2+ - зависимые инсулиновые рецепторы. Повышая уровень проникновения глюкозы внутрь клетки и субклеточных частиц, инсулин усиливает возможности её использования в тех или иных тканях, будь то биосинтез из неё гликогена или дихотомический или апотомический её распад.

При взаимодействии инсулина с рецептором клеточной мембраны возбуждается активность протеинкиназного домена инсулинового рецептора, что сказывается на внутриклеточном метаболизе углеводов, липидов и белков. Для инсулина не типичен аденилатциклазный механизм действия.

Глюкагон

В поджелудочной железе, помимо инсулина, вырабатывается другой гормон, влияющий на обмен углеводов - глюкагон .

Это 29 - членный пептид, синтезирующийся в α-клетках островской части поджелудочной железы. Первое упоминание об этом гормоне восходит к 1923 г., когда И. Мурлин с сотрудниками обнаружил его присутствие в препаратах инсулина. В 1953 г.Ф. Штрауб получил глюкагон в виде гомогенного кристаллического препарата, а несколько позже была выяснена его первичная структура. Полный синтез глюкагона осуществлён в 1968 году (Э. Вюнш и сотрудники). По данным рентгеноструктурного анализа (Т. Бландел), молекула глюкагона преимущественно находится в α-спиральной конформации и склонна к образованию олигомеров.

Первичная структура глюкагонов человека и животных оказалась идентичной; исключение составляет только глюкагон индюка, у которого вместо аспарагина в положении 28 содержится серин. Особенностью структуры глюкагона является отсутствие дисульфидных связей и цистеина. Глюкагон образуется из своего предшественника проглюкагона, содержащего на С-конце полипептида дополнительный октапептид (8 остатков), отщепляемый в процессе постсинтетического протеолиза. Имеются данные, что у проглюкагона, так же как и у проинсулина, существует предшественник - препроглюкагон (мол. масса 9000), структура которого пока не расшифрована.

По биологическому действию глюкагон, как и адреналин, относятся к гипергликемическим факторам, вызывает увеличение концентрации глюкозы в крови главным образом за счёт распада гликогена в печени. Органами-мишенями для глюкагона является печень, миокард, жировая ткань, но не скелетные мышци. Биосинтез и секреция глюкагона контролируется главынм образом концентрацией глюкозы по принципу обратной связи. Таким же свойством обладают аминокислоты и свободные жирные кислоты. На секрецию глюкагона оказывает влияние также инсулин и инсулиноподобные факторы роста.

В механизме действия глюкагона первичным является связывание со специфическими рецепторами мембраны клеток, образовавшийся глюкагонрецепторный комплекс активирует аденилатциклазу и соответственно образование цАМФ. Последний, являясь универсальным эффектором внутриклеточных ферментов, активирует протеинкиназу, которая в свою очередь фосфорилирует киназу фосфорилазы и гликогенсинтазу. Фосфорилирование первого фермента способствует формированию активной гликогенфосфорилазы и соответственно распаду гликогена с образованием глюкозо-1-фосфата, в то время как фосфорилирование гликогенсинтазы сопровождается переходом её в неактивную форму и соответственно блокированием синтеза гликогена. Общим итогом действия глюкагона является ускорение распада гликогена и торможение его синтеза в печени, что приводит к увеличению концентрации глюкозы в крови.

Гипергликемический эффект глюкагона обусловлен, однако, не только распадом гликогена. Имеются бесспорные доказательства существования глюконеогенетического механизма гипергликемии, вызванной глюкагоном. Установлено, что глюкагон способствует образованию глюкозы из промежуточных продуктов обмена белков и жиров. Глюкагон стимулирует образование глюкозы из аминокислот путём индукции синтеза ферментов глюконеогенеза при участии цАМФ, в частности фосфоенолпируваткарбоксиназы - ключевого фермента этого процесса. Глюкагон в отличие от адреналина тормозит гликолитический распад глюкозы до молочной кислоты, способствуя тем самым гипергликемии. Он активирует опосредственно через цАМФ липазу тканей, оказывая мощный липолитический эффект. Существует и различия в физиологическом действии: в отличие от адреналина глюкагон не повышает кровяного давления и не увеличивает частоту сердечных сокращений. Следует отметить, что, помимо панкреатического глюкагона, в последнее время доказано существование кишечного глюкагона, синтезирующегося по всему пищеварительному тракту и поступающего в кровь. Первичная структура кишечного глюкагона пока точно не расшифрована, однако в его молекуле открыты идентичные N-концевому и среднему участкам панкреатического глюкагона аминокислотные последовательности, но разная С-концевая последовательность аминокислот.

Таким образом, панкреатические островки, синтезирующие два противоположного действия гормона - инсулин и глюкагон, выполняют ключевую роль в регуляции веществ на молекулярном уровне.

Гастрин

Гастрин продуцируется G-клетками, локализованными в слизистой антральной части желудка и в меньшем количестве - в слизистой двенадцатипёрстной кишке.

Существует три основных естественных формы гастрина: "большой гастрин", или гастрин-34 - полипептид из 34 аминокислот, "малый гастрин", или гастрин-17, состоящий из 17 аминокислот, и "минигастрин", или гастрин-14, состоящий из 14 аминокислот.

Он более гетерогенен по размерам молекул, чем какой-либо другой желудочно-кишечный гормон. Кроме того, каждая из форм гастрина существует в сульфированном и несульфированном виде (по единственному остатку тирозина). С-концовые 14 аминокислот в гастрине 34, гастрине 17 и гастрине 14 идентичны. Гастрин 34 присутствует в крови в большем количестве, чем гастрин 17. Вероятно, это объясняется тем, что период его полужизни в плазме (15 мин) в 5-7 раз превышает таковой для гастрина 17. Последний, по-видимому, выступает в роли главного стимулятора секреции кислоты желудком, которая регулируется по механизму отрицательной обратной связи, так как закисление содержимого антральной области желудка снижает секрецию гастрина. Гастрин также стимулирует секрецию желудка. За биологическую активность ответствен С-конец гормона, С-концевой пентапептид вызывает полный спектр физиологических эффектов гастрина 17, но в расчёте на единицу массы обладаю лишь 1/10 его биологической активности.

Вазопрессин и окцитоцин.

Оба гормона образуются в гипоталамусе, затем с аксоплазматическим током переносятся в нервные окончания задней доли гипофиза, из которых секретируются в кровоток при соответствующей стимуляции. Смысл такого механизма состоит, вероятно, в том, что он позволяет миновать гематоэнцефалический барьер. АДГ синтезируется преимущественно в супраоптическом ядре, окситоцин - в паравентрикулярном ядре. Каждый из них перемещается по аксону в связанной со специфическим белком-переносчиком (нейрофизином) форме. Нейрофизины I и II синтезируются вместе с окситоцином и АДГ соответственно как части одного белка (его иногда называют пропрессофизином), кодируемого единственным геном. Нейрофизины I и II представляют собой своеобразные белки с молекулярными массами соответственно 19 000 и 21 000. АДГ и окситоцин секретируются в кровоток по отдельности, каждый вместе со своим нейрофизином. В крови они не связаны с белком и имеют короткий период полужизни в плазме (2-4 мин).

Каждый нонапептид содержит молекулы цистеина в положениях 1 и 6, связанные дисульфидным мостиком. У большинства животных обнаруживается аргинин-вазопрессин, однако у свиней и родственных видов в положении 8 находится лизин. Поскольку АДГ и окситоцин очень близки по структуре, не удивительно, что они обладают некоторыми общими биологическими эффектами. Оба пептида метаболизируются в основном в печени, но и почетная эксрекция АДГ вносит существенный вклад в его исчезновение из крови.

Главными стимулами высвобождения окситоцина являются нервные импульсы, возникающие при раздражении грудных сосков. Растяжение влагалища и матки играет второстепенную роль. При многих воздействиях, вызывающих секрецию окситоцина, происходит высвобождение пролактина; предполагают, что фрагмент окситоцина может играть роль пролактин-рилизинг-фактора. Эстрогены стимулируют, а прогестерое ингибирует продукцию окситоцина и нейрофизина I.

Механизм действия окситоцина неизвестен. Он вызывает сокращение гладких мышц матки и поэтому используется в фармакологических дозах для стимуляции родовой деятельности у женщин. Интересно, что у беременных животных с повреждённой гипоталамо-гипофизарной системой вовсе не обязательно возникают нарушения родовой деятельности. Наиболее вероятная физиологическая функция окситоцина заключается в стимуляции сокращений миоэпителиальных клеток, окружающих альвеолы молочной железы. Это вызывает перемещение молока в систему альвеолярных протоков и приводит к его выбросу. Мембранные рецепторы для окситоцина найдены в тканях матки и молочной железы. Их количество возрастает под действием эстрогенов и снижается под влиянием прогестерона. Наступление лактации до родов можно, очевидно, объяснить одновременным повышением количества эстрогенов и падением уровня прогестерона непосредственно перед родами. Производные прогестерона часто используются для подавления послеродовой лактации у женщин. Окситоцин и нейрофизин I, по-видимому, образуются и в яичниках, где окситоцин может ингибировать стероидогенез.

Химические группы, существенные для действия окситоцина, включают первичную аминогруппу N-концевого цистеина, фенольную группу тирозина, 3 карбоксамидные группы аспарагина, глутамина и глицинамида, дисульфидную связь (S-S) связь. Путём удаления или замещения этих групп получены многочисленные аналоги окситоцина. Например, удаление свободной первичной аминогруппы концевого остатка полуцистеина (положение 1) приводит к образованию дезаминоокситоцина, антидиуретическая активность которого в 4-5 раз превышает активность природного окситоцина.

Нервные импульсы, вызывающие секрецию АДГ, являются результатом действия ряда различных стимулирующих факторов. Главный физиологический стимул - это повышение осмоляльности плазмы. Его эффект опосредуется осморецепторами, локализованными в гипоталамусе, и барорецепторами, находящимися в сердце и других отделах сосудистой системы. Гемодилюция (снижение осмоляльности) оказывает противоположное действие. К другим стимулам относятся эмоциональный и физический стресс и воздействие фармакологических агентов, в том числе ацетилхолина, никотина и морфина. В большинстве случаев усиление секреции сочетается с повышением синтеза АДГ и нейрофизина II, поскольку при этом не происходит истощения резервов гормона. Адреналин и агенты, вызывающие увеличение плазмы, подавляют секрецию АДГ; аналогичным эффектом обладает этанол.

Наиболее важные в физиологическом плане клетки-мишени для АДГ у млекопитающих - клетки дистальных извитых канальцев и собирательных трубочек почки. Эти протоки пересекают мозговое вещество почек, где градиент осмоляльности внеклеточных растворённых веществ в 4 раза выше, чем в плазме. Клетки этих протоков относительно непроницаемы для воды, так что в отсутствие АДГ моча не концентрируется и может выделяться в количествах, превышающих 20 л в сутки. АДГ увеличивает проницаемость клеток для воды и способствует поддержанию осмотического равновесия между мочой собирательных трубочек и гипертоническим содержимым интерстициального пространства, благодаря чему объём мочи сохраняется в пределах 0,5 - 1 л в сутки. На слизистых (мочевых) мембранах эпителиальных клеток этих структур присутствуют рецепторы АДГ, которые связаны с аденилатциклазой; считают, что действие АДГ на почечные канальцы опосредуется сАМР. Описанное физиологическое действие послужило осонованием для того, чтобы назвать гормон "антидиуретическим”. сАМР и ингибиторы фосфодиэстеразы имитируют эффекты АДГ. В условиях in vivo повышение уровня кальция в среде, омывающей слизистую поверхность канальцев, тормозит действие АДГ на перемещение воды (очевидно, путём ингибирования аденилатциклазы, поскольку эффект самого сАМР при этом не уменьшается). Описанный механизм может отчасти обусловливать повышенный диурез, характерный для больных с гиперкальциемией.

Нарушения секреции или действия АДГ приводят к несахарному диабету, который характеризуется выделением больших объёмов разбавленной мочи. Первичный несахарный диабет, связанный с дефицитом АДГ, обычно развивается при повреждении гипотоламо-гипофизарного тракта вследствие перелома основания черепа, опухоли или инфекции; однако он может иметь и наследственную природу. При наследственном нефрогенном несахарном диабете секреция АДГ остаётся нормальной, но клетки-мишени утрачивают способность реагировать на гормон, вероятно, из-за нарушения его рецепции. Этот наследственный дефект отличается от приобретенного нефрогенного несахарного диабета, который чаще всего возникает при терапевтическом введении лития больным с маниакально-депрессивным психозом. Синдром неадекватной секреции АДГ связан обычно с эктопическим образованием гормона различными опухолями (обычно опухолями лёгких), но может также наблюдаться и при болезнях мозга, легочных инфекций или гипотиреозе. Неадекватной такая секреция считается потому, что продукция АДГ происходит с нормальной или повышенной скоростью в условиях гипоосмоляльности, и это вызывает устойчивую и прогрессивную гипонатриемию с выделением гипертонической мочи.

Заключение

Гидрофильные гормоны и гормоноподобные вещества построены из аминокислот. как, например, белки и пептиды, или являются производными аминокислот. Они депонируются в больших количествах в клетках желез внутренней секреции и поступают в кровь по мере необходимости. Большинство этих веществ переносятся в кровотоке без участия переносчиков. Гидрофильные гормоны действуют на клетки-мишени за счет связывания с рецептором на плазматической мембране.

Гидрофильные гормоны играют большую роль в организме человека. Основной их функцией, как и всех гормонов, является поддержание баланса в организме (гомеостаза). Они играют ключевую роль в регуляции функций роста, развития, обмена веществ, реакций на изменение условий среды и многое другое.

Всё, на что мы реагируем - аллергии, воспаления, страх и прочее - является следствием работы гормонов.

Также любое действие, выполняемое внутренними органами человека, вызвано гормонами, которые являются своеобразными сигнальными веществами в организме.

Список литературы

1) Кольман Я., Рем К. - Г., Наглядная биохимия // Гормоны. Гормональная система. - 2000. - с.358-359, 368-375.

) Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф., Биологическая химия // Номенклатура и классификация гормонов. - 1998. - с.250-251, 271-272.

) Филиппович Ю.Б., Основы биохимии // Гормоны и их роль в обмене веществ. - 1999. - с.451-453,455-456, 461-462.

) Овчинников Ю.А., Биоорганическая химия // Пептидные гормоны. - 1987. - с.274.

) Марри Р., Греннер Д., Биохимия человека // Биохимия внутри - и межклеточных коммуникаций человека. - 1993. - с.181-183, 219-224, 270.

) Науменко Е.В., Попова.П.К., Серотонин и мелатонин в регуляции эндокринной системы. - 1975. - с.4-5, 8-9, 32, 34, 36-37, 44, 46.

) Гребенщиков Ю.Б., Мошковский Ю.Ш., Биоорганическая химия // Физико-химические свойства, структура и функциональная активность инсулина. - 1986. - с.296.

Вторичные посредники (вторичные мессенджеры) – компоненты системы передачи сигнала в клетке. Представляют собой низкомолекулярные химические соединения, имеющие специфическую систему синтеза и распада. В покое их мало. Концентрация ВП быстро изменяется под действием внеклеточных сигналов (гормонов, нейромедиаторов). ВП имеют четкие специфические мишени (эффекторные белки), через которые опосредуют ответ клетки.

ВП характеризуются следующими свойствами: имеют небольшую молекулярную массу и с высокой скоростью диффундируют в цитоплазме; быстро расщепляются и быстро удаляются из цитоплазмы. Вторичные посредники должны иметь высокую скорость синтеза и распада: при низкой скорости метаболизма они не буду успевать за быстрыми изменениями в стимуляции рецептора.

Выделяют 3 группы вторичных посредников.

- Гидрофильные молекулы (цАМФ, цГМФ, IP 3 , Ca 2+ , Н 2 О 2) действуют в цитозоле.

- Гидрофобные молекулы (диацилглицеролы ДАГ и фосфатидилинозитолы PIP n ) действуют в мембранах локально.

- Газы (NO, CO, H2S) являются короткоживущими, но относительно стабильными, продуктами активных форм кислорода; они растворимы в цитозоле и могут проникать в клетку извне через плазматическую мембрану.

Сигнальные системы с использованием вторичных посредников имеют три уровня усиления сигнала . Первое усиление происходит на уровне мембраны. Пока Рецептор связан с лигандом, он активирует несколько мишеней (G-белков). Пока ГТФ находится в активном центре G-белка, он в свою очередь, активирует несколько эффекторов. Эти эффекторы составляют второй, и самый мощный, уровень усиления сигнала. Как правило, они являются ферментами с высокой каталитической силой и числом оборотов. В их задачу входит синтез многочисленных вторичных посредников. Это составляет третий этап усиления.

Вторичные посредники участвуют в передаче сигналов от мембранных рецепторов, сопряженных с G-белками.

Пути сигнальной трансдукции с участием G-белков - протеинкиназ включает следующие этапы .

1) Лиганд связывается с рецептором на мембране клетки.

2) Связанный с лигандом рецептор, взаимодействуя с G-белком, активирует его, и активированный G-белок связывает ГТФ.

3) Активированный G-белок взаимодействует с одним или несколькими следующими соединениями: аденилатциклазой, фосфодиэстеразой, фосфолипазами С, А 2 , D, активируя или ингибируя их.

4) Внутриклеточный уровень одного или нескольких вторичных мессенджеров, таких, как цАМФ, цГМФ, Са 2+ , IP 3 или DAG, возрастает или снижается.

5) Увеличение или уменьшение концентрации вторичного мессенджера влияет на активность одной или нескольких зависимых от него протеинкиназ, таких, как цАМФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа А), цГМФ-зависимая протеинкиназа (ПКG), кальмодулинзависимая протеинкиназа (КМПК), протеинкиназа С. Изменение концентрации вторичного мессенджера может активировать тот или иной ионный канал.

6) Уровень фосфорилирования фермента или ионного канала изменяется, что влияет на активность ионного канала, обуславливая конечный ответ клетки.

(Более подробная схема):

5. Классификация мембранных рецепторов.

По структуре и механизму действия, 4 основные группы, являющихся интегральными мембранными белками. Рецепторы, непосредственно сопряженные с ионными каналами (N-холиноРецепторы, например) (ligand-gated ion channels, LGIC) и Рецепторы, сопряженные с тримерными G-белками (М-холиноРецепторы, например)(G-protein coupled receptors, GPCR) составляют две наиболее известные и характеризованные группы. В группе рецепторов, непосредственно сопряженных с ферментами (Рецепторы инсулина, непосредственно сопряженные с тирозинкиназой, например) - несколько подгрупп: рецепторные тирозиновые киназы (receptor protein tyrosine kinases, RPTK) и небольшая группа рецепторных серин/треониновых киназ , а также Рецепторы-ферменты с некиназной активностью , такие как гуанилатциклазные (guanylyl cyclase, GCase). 4- цитокиновые Рецепторы (cytokine receptors, CR) (Рецепторы интерферонов α, β, γ, например). По способу действия они очень похожи на RРTK, но не имеют своей ферментативной активности и привлекают в качестве партнеров ферменты из цитозоля. Последними, в основном, являются протеинкиназы, которые связывают активированные цитокиновые Рецепторы и только после этого фосфорилируют специфические субстраты, таким способом передавая сигнал в цитоплазму. Следует отметить, что мембранная локализация всех этих рецепторов не означает их расположения исключительно на поверхности клетки. Они могут находиться также и на внутренних мембранах органелл, например, на эндосомах, митохондриях или эндоплазматическом ретикулуме.

По функциональной нагрузке: ионотропные и метаботропные . По сути, это разделение отражает тип клеточного ответа при активации этих рецепторов. Согласно названию, ионотропные Рецепторы регулируют ионные токи, т.е. управляют лиганд-зависимыми ионными каналами. Они быстро меняют мембранный потенциал и, таким образом, опосредуют наиболее быстрые реакции клеток на воздействия внешней среды (зрительные, вкусовые и обонятельные клетки). Напротив, метаботропные Рецепторы регулируют внутри клетки метаболические превращения (потоки энергии). Они используют адаптерные белки и ферменты для эстафетной передачи сигнала и изменения активности ферментов-мишеней.

6.Способы регуляции активности ферментов: изменение количества молекул белка или его посттрансляционные модификации. Типы посттрансляионных модификаций, используемых рецепторами для передачи сигнала. Примеры.
Гормоны активируют эффекторные системы рецепторов - изменение активности внутриклеточных ферментов. Под контролем гормонов 6 из 8 механизмов регуляции ферментов. 4 (ковалентная модификация, белок-белковые взаимодействия, аллостерическая регуляция и ограниченный протеолиз) - быстрые изменения удельной активности ферментов, 2 (изменение уровня экспрессии и изоформного состава белков) связаны с изменением количества ферментов в клетке и косвенно изменяют их общую активность в клетке.

Остально, не связ с горманами: изм-е концентраций участников р-ции, д-е метаболитов.
1) 1. Доступность субстрата или кофермента

При постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ. без прямого контроля со стороны гормонов. ускорить или затормозить

Для цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) субстратом - оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота). Наличие оксалоацетата "подталкивает" реакции цикла, что позволяет вовлекать в окисление ацетил-SКоА.

ΔG" = ΔG 0 " + RT ln [(C+D)/(A+B)],

где ΔG" – реальное изменение свободной энергии Гиббса при рН 7, ΔG 0 " – стандартное изменение свободной энергии Гиббса при рН 7 для данной реакции (при равновесных концентрациях реактантов 1 Моль/л и 25 о С), R – универсальная газовая постоянная, Т – температура по Кельвина, А,В,С,D – равновесные концентрации реактантов.

Гормоны опосредованно влияют на равновесные концентрации реактантов, действуя на необратимые реакции. Их скорость увеличивается, количество продукта тоже. Изменять активность ферментов, опосредующих равновесные реакции нет смысла, так как фермент не сдвигает равновесие реакции.

2) Во многих метаболических путях метаболиты дистанцированно влияют на активность ферментов. прямые или обратные связи внутри метаболической цепочки. Конечный метаболит - механизм обратной отрицательной связи . Начальный метаболит - прямой регуляции .

Эффекторами - конкурентные или аллостерические регуляторы.

3) Ковалентные модификации с присоединением низкомолекулярных радикалов к молекулам белка - на посттрансляционном уровне. наиболее распространенный механизм.

модификациям могут подвергаться аминокислотные остатки (остатки серина, треонина, тирозина, лизина, аргинина, пролина и дикарбоновых аминокислот). присоединяются метильные, ацетильные и гидроксильные группы, биотин, оксид азота, фосфаты, сульфаты и более крупные заместители углеводной, липидной, белковой или нуклеотидной природы (АДФ-рибозил). Гликозилирование - основной модификацией наружных белков гликокаликса, а пренилирование липидными остатками - для принудительной локализации белков на мембране.

Фосфорилирование используется для передачи сигнала внутрь клетки. фосфатная группа выступает меткой, фиксирующей сам факт передачи сигнала от одного компонента каскада (протеинкиназы) к другому (субстрату). Иногда таким сигналом служит дефосфорилирование (фосфатазы)

Фосфорилирование - изменения активности конечных участников сигнальных каскадов. Многие мишеней являются трансферазами (ковалентные модификации своих субстратов). Например, действие ряда гормонов направлено на изменения транскрипционной активности и белкового состава клетки. В нем задействованы ферменты, модифицирующие белки хроматина, транскрипционные факторы и фосфорилирующие их киназы. В результате активации киназы транскрипционных факторов и белков хроматина перемещаются из цитоплазмы в ядро, повышают доступность отдельных участков генома и активируют транскрипцию путем пост-трансляционной модификации многочисленных остатков белков-мишеней. Транскрипционные факторы (р53): фосфорилированию. ацетилированы или убиквитинированы и сумоилированы для более успешной компартментализации. Гистоны и другие белки хроматина: разнообразным модификациям - изменение плотности хроматина и повышение доступности участков ДНК для транскрипции. (фосфорилирование, метилирование и ацетилирование внутри короткой последовательности, отвечающей за функциональную активность этого белка).

4) Аллостерические ферменты - из 2 и более субъединиц : одни субъединицы содержат каталитический центр, другие имеют аллостерический центр и являются регуляторными. Присоединение эффектора к аллостерической субъединице - изменение конформацию белка и активность каталитической субъединицы.

Аллостерические ферменты (ключевыми ферментами) обычно стоят в начале метаболических путей, и от их активности зависит течение многих последующих реакций.

фруктозо-2,6-бисфосфат, 2,3-бисфосфоглицераль- продуктами гликолиза - аллостерические регуляторы

5) Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов - более крупного предшественника и при поступлении в нужное место этот фермент активируется через отщепление от него пептидных фрагментов. защищает внутриклеточные структуры от повреждений. Пищеварительные ферменты (пепсин, трипсин, химотрипсин) производятся железистых клеток в неактивной форме проферментов. активируются путем ограниченного протеолиза уже в просвете желудка (пепсин) или кишечника (остальные).

6) белок-белковое взаимодействие – в качестве регулятора выступают не метаболиты биохимических процессов, а специфичные белки. В целом ситуация схожа с аллостерическим механизмом: после влияния каких-либо факторов на специфичные белки изменяется активность этих белков, и они, в свою очередь, воздействуют на нужный фермент.

Мембранный фермент аденилатциклаза чувствительным к воздействию G-белка , который активируется при действии на клетку некоторых гормонов (адреналина и глюкагона).

7,8) Изменение уровня экспрессии или изоформного состава ферментов - долговременными регуляторными стратегиями (транскрипционные факторы, изменяются скорость и эффективность транскрипции генов). - стероидные и тиреоидные гормоны. В комплексе с внутриклеточными рецепторами они перемещаются в ядро, где активируют или ингибируют транскрипцию в определенных участках генома.

Изменение скорости деградации белков регулируется убиквитинированием. 5-стадийный процесс с участием трех ферментов: убиквитин-активирующего, убиквитин-конъюгирующего и убиквитин-сшивающего (лигазы). регуляции этого процесса – это рецептор-зависимая активация убиквитин-лигаз. Примером такой лигазы является белок Cbl – партнер рецепторов факторов роста и цитокинов. Рецептор-зависимая активация Cbl происходит при связывании его N-концевого фосфотирозин-связывающего домена с активированным рецептором. После этого Cbl взаимодействует с акцессорными белками и запускает убиквитинирование белков-мишеней.

Индуцибельная NO-синтаза (iNOS) - быстрой смены изоформного состава белка при активации защитных реакций клетки. Две изоформы NO-синтазы – нейрональная (nNOS) и эндотелиальная (eNOS) – экспрессируются конститутивно. Экспрессия iNOS запускается при активации рецепторов провоспалительных цитокинов (интерферон, интерлейкин-1, TNFα). в условиях окислительного стресса и бактериальной инфекции изменяется суммарная активность NO-синтаз и уровень продукции вторичного посредника NO.

7. Факторы роста как основные регуляторы деления клеток. Кратко механизм их действия.

Рост и развитие клетки в нормальных и опухолевых линиях начинаются с воздействия на клетку ФР - полипептиды, которые либо секретируются клеткой, либо выделяются, когда клетка гибнет. могут циркулировать в крови, но чаще местного действия. При связывании с рецептором - повышение сродства - олигомеризация рецепторов. 1 рецептора фосфорилирует другую молекулу рецептора по тирозиновым остаткам. Белки, участвующие в передаче сигналов от рецептора, имеют домены, узнающие фосфотирозин (SH2 домены, «домен второго порядка Src киназы»). SH2-домен-содержащие белки распознают еще 10-15 аминокислот слева и справа от фосфотирозина, поэтому их связывание весьма специфично. Связавшись с рецептором, белки изменяют свою активность, могут активировать друг друга, связывать новые белки - образуются сложные олигомерные комплексы белков. ФР передают сигнал внутрь ядра с помощью МАР-киназ (митогенактивируемых протеинкиназ), которые стимулируют транскрипционные факторы - деление клеток. Регуляция происходит за счет тирозинового фосфорилирования без вторичных посредников. Заканчивается сигнал серин/треониновым фосфорилированием белков ядра.

SH3-домены узнают в белке 1 три остатка пролина, локализованные рядом. белок 2 одним доменом свяжется с рецептором ФР, а другим – с белком с 3 остатка пролина. Формирование сложного олигомерного комплекса, в составе которого проходит фосфорилирование–дефосфорилирование белков, обмен гуаниловых нуклеотидов, расщепление фосфолипидов, присоединение белков цитоскелета и т.п.

Действие ФР на клетку. ФР связываются с рецепторами либо на поверхности мембраны, либо внутри клетки. А - ФР вызывают фосфорилирование белков либо непосредственно при взаимодействии с рецептором, являющимся тир-ПК-азой (ИФР-1, ИФР-2, инсулин), либо за счёт включения аденилатциклазного или фосфатидилинозитольного каскадов и активации протеинкиназ. Фосфорилированные белки активируют транскрипционные факторы, вызывающие синтез новых мРНК и белков. Б - ФР входит в клетку, в комплексе с внутриклеточным рецептором поступает в ядро, активируя транскрипцию генов, стимулирующих рост клетки. 1 - G-белок; 2 - ферменты, синтезирующие вторичные посредники: аденилатциклаза, фосфолипаза С, гуанилатциклаза.

8.Каким образом связано сродство рецептора к гормону с временем развития и гашения этого сигнала? Регуляция чувствительности клеток к гормону путем изменения количества рецепторов и их сопряжения с эффекторными системами.
Max биологический эффект может развиваться даже если гормон оккупировал лишь малую долю рецепторов. (после преинкубации гладких мышц, сердца с кураре или атропином образуется прочный комплекс c антагонистом, однако эффект ацетилхолина развивается уже спустя несколько секунд после отмывания рецептора от блокатора). В клетке существует "избыток" рецепторов, благодаря чему гормон может вызывать максимальный ответ даже тогда, когда он оккупирует лишь небольшую долю рецепторов.

Концентрация катехоламинов в крови - 10-9 – 10-8 М. Сродство рецепторов к этим гормонам ниже (Кд=10-7 – 10-6 М). Полумаксимальная активация аденилатциклазы - высоких концентраций (10-7 – 10-6 М), а влияние на гликогенолиз или липолиз (эффекты, опосредуемые синтезом цАМФ) - низких концентраций (10-9 – 10-8 М).

Для проявления эффекта катехоламинам достаточно связывание менее, чем с 1% β-адренергических рецепторов. Существует 100-кратный "избыток" рецепторов гистамина, 10-кратный "избыток" рецепторов глюкагона, ангиотензина, АКТГ. Это объясняется высокой степенью усиления (105 – 108 раз) сигнала. при связывании 1 молекулы гормона в клетке может появиться (или исчезнуть) 105 – 108 молекул определенных веществ или ионов. Существование "избытка" рецепторов обеспечивает высокую чувствительность к внеклеточным регуляторам.

"оккупационная" теория: биологический эффект гормона пропорционален концентрации гормон-рецепторного комплекса: H+R ↔ HR → биологический эффект.

При достижении равновесия: Кс = / ([H][R]) или HR= Кс ([H][R]), эффект = f {Кс ([H][R])}

Эффект зависит от: сродства гормона к рецептору, концентрации рецепторов.

Уменьшение сродства рецептора к гормону, уменьшении концентраций рецепторов - более высокие концентрации гормона.

Скорость реакции определяется временем связанного состояния гормона с рецептором. У нейромедиаторов низкое сродство: около 10-3, они быстро диссоциируют от рецептора, поэтому для осуществления сигнала необходимо создавать высокие локальные концентрации, что и происходит в синапсах. У внутриклеточных рецепторов сродство к лиганду выше – около 10-9, связанное состояние продолжается часы и сутки. Сродство гормона к рецептору определяет длительность проведения сигнала.

Изменение сродства рецепторов к гормонам: десенситизации, даунрегуляцией. при избыточной гормональной стимуляции рецепторы эндоцитируют и подвергаются деградации. Образование рецепторных кластеров в мембране: Концентрирование, снижение плотности рецептора влияет на кинетические параметры связывания лиганда. (неоднородного распределения липидов в мембране, микротрубочек и микрофиламентов держат мембранные белки в определенных участках мембраны). Синапс!!

Концентрирование рецепторов, не закрепленное специальной морфологической структурой, - в лимфоцитах и асимметричных клетках слизистой. рецепторы за несколько минут собираются в кластеры в самых разных участках мембраны, распадаться - быстрый и обратимый контроль за чувствительностью клетки к регулятору.

Необратимой инактивацией рецепторных молекул: При продолжительном действии высоких концентраций регулятора - образование рецепторных "шапок", в которых рецепторов соединены между собой за счет образования пептидных связей (при участии трансглютаминазы) между свободными карбоксильными группами одного белка и свободными аминогруппами другого. После завершения сшивок - впячивание мембраны, отшнуровывание, появление в цитоплазме, сливаются с лизосомами, расщепляются протеазами. количество рецепторов может снижаться в 3-5 раз. восстановление чувствительности потребует значительного времени –синтез и встраивание.

При некоторых патологических состояниях - образовываться аутоантитела, которые, связываясь с рецепторами, изменяют их сродство к гормонам.

Сродство зависит от их взаимодействия с внутриклеточными белками-мишенями (G-белки). Хорошо известна роль G-белка при гормон-зависимой активации аденилатциклазы. G-белок не только проводит сигнал, но и влияет связывания гормона с рецептором.

Регуляции чувствительности рецепторов к гормонам: встречи рецепторов и их мишеней на мембране могут быть эффективными только если с белками связаны соответствующие кофакторы: в случае рецептора это гормон, а сопрягающего G-белка – ГТФ или ГДФ. Только в таком случае образуется функционально активный комплекс рецептора с белком, а затем белка с мишенью (аденилатциклазой). 2- связывание кофактора влияет на сродство компонентов друг к другу: Связывание лиганда повышает сродство рецептора к активным G-белком. образование рецептор-G-белкового комплекса приводит к значительному повышению сродства рецептора к гормону. После присоединения к G-белку ГТФ сродство рецептора к гормону становится низким.

9.Опишите основные этапы процессов десенситизации и даун-регуляции рецепторов.

1. Присоединение Г+Р

2. Фосфорилирование (убиквитинилирование/пальмитинирование рецептора

3. Десенситизация (бета-аррестин)

4. Эндоцитоз (клатрин-зависимый)

5. Рециклизация (выход рецептора на поверхность клетки) или слияние с лизосомой и расщепление рецептора.

Десенситизация и даун-регуляция необходимо для терминации избыточного сигнала и предотвращения чрезмерного клеточного ответа.

1) самый быстрый способ «выключения» рецептора - десенситизация обусловленная химической модификацией (фосфорилирование или реже алкилирование, пренилирование, убиквитинирование, метилирование, рибозилирование) цитоплазматического домена, приводящей к снижению сродства Р к Л.

Для гормональной регуляции, в которой участвуют Рецепторы, сопряженные с G белками, характерно быстрое развитие толерантности. Рецептор связывается с гормоном за минуты. Длится сигнал в течение минут. Чем дольше гормон находится на рецепторе, тем больше вероятность у рецептора быть фосфорилированным (более 10 минут) эндогенной протеинкиназой («лиганд-зависимая киназа»). диссоциации Г с рецептора - дефосфорилирование и Рецептор восстановит нормальную аффинность. Если же гормональный сигнал поступает в клетку в течение десятков минут, тогда включается десенситизация, в которой участвует GRK(g-prot. Receptor kinase), она дополнительно фосфорилирует рецептор, стимулируемая вторичным посредником. Если гормона много, сигнал остается и при фосфорилиловании рецептора.

Бета-аррестин- каркасный белок, он ослабляет/прекращает основной сигнальный каскад, но при этом активируется MAPKиназный или другой. На бета-аррестине также есть сайт связывания убиквитин-лигазы, которая навешивает убиквитин на рецептор. Убиквитин может способствовать разрушению белка в протеосомах или, наоборот, не дает ему идти в протеосомы (разные варианты прикрепления убиквитина). При десенситизации бета-аррестин привлекает клатрин который рекрутируется в область скопления рецепторов и покрывает внутреннюю поверхность участка мембраны, далее происходит эндоцитоз (даун-регуляция). Эти участки втягиваются, образуя окаймленные клатрином ямки. Увеличиваясь и отрываясь внутрь клетки под действием моторного белка динамина, они образуют клатрин-покрытые везикулы. Время жизни этих везикул очень мало: как только они отрываются от мембраны, клатриновая оболочка диссоциирует и распадается. (есть еще кавеолин-зависимый эндоцитоз, он происходит аналогично клатрин-зависимому, Если мембранные плоты большие и жесткие, к ним присоединяется актиновый цитоскелет, который принудительно втягивает в клетку большие фрагменты мембраны клатрин/кавеолин-независимым образом за счет работы миозиновых моторов.)

Вместе с рецепторами могут эндоцитироваться и их лиганды. В дальнейшем возможна рециклизация рецепторов (возвращение), для которой необходимы диссоциация лигандов от рецепторов и устранение химических модификаций. Необратимая деградация рецепторов при слиянии эндосом с лизосомами.

Существуют сигнальные эндосомы (сигналосом), которые способны запускать собственные сигнальные каскада, ко торые базируются на эндосомальных белках и (фосфо)липидах, в них выявляются все основные типы мембранных рецепторов за исключением канальных рецепторов.