2. Продукция гормонов

Продукция гормонов включает в себя два процесса: их биосинтез, секрецию и для некоторых гормонов их периферическую конверсию.

1. Биосинтез гормонов.

• По схеме синтеза белка (прямой генетический контроль) на полисомах образуется прогормон – предшественник одного или нескольких гормонов, который с помощью сигнального гидрофобного пептида поступает внутрь канальцев гранулярной ЭПС, где происходит его обработка, завершаемая в комплексе Гольджи упаковкой молекул гормона в секреторные гранулы (например, в клетках аденогипофиза образуется пептид – проопиомеланокортин, из которого образуется несколько гормонов: АКТГ, МСГ, -липотропин, -эндорфин).

• Опосредованный контроль через образование ферментов, синтезирующих небелковые гормоны. Стероидные гормоны покидают клетку путем простой диффузии, катехоламины предварительно накапливаются в секреторных гранулах, тироидные гормоны в коллоиде фолликула накапливаются внеклеточно.

2. Секреция гормонов.

• Экзоцитоз секреторных гранул (пептидные гормоны, катехоламины) стимулируется ионами Са²⁺, поступившими в цитозоль через Са²⁺-каналы при деполяризации мембраны клетки или (и) из гладкой ЭПС при действии инозитолтрифосфата.

• Освобождение гормона из белковосвязанной формы с помощью ферментов лизосом (тироксин и трииодтиронин из иодированного тироглобулина).

• Свободная диффузия гормонов, растворимых в липидах мембраны (кортикостероиды, половые и тироидные гормоны).

3. Периферическая конверсия гормонов – превращение гормонов в органах и тканях, отдаленных от эндокринной железы, в результате которого изменяется активность и спектр действия гормона (превращение тироксина в трииодтиронин в печени, тестостерона в дигидротестостерон – в простате, ангиотензина I в ангиотензин II в эндотелии сосудов легких и других органов).

3. Циркуляторный транспорт гормонов

Выделяют три транспортных формы гормона в крови: гормон в свободной форме, гормон, связанный с белками плазмы, и гормон, связанный с форменными элементами крови.

1. Свободная, несвязанная форма составляет от сотых долей процента (например, Т₄ и Т₃) до 100 % (например, инсулин). Только эта форма гормона действует на клетки-мишени.

2. Гормоны, связанные с белками плазмы. С глобулинами специфически связано 70 – 80 % общего количества гормона в крови. Это обеспечивает создание запаса и связывание избытка гормона в крови, защиту его от инактивации и от потери через почки. (Известны несколько видов глобулинов – транскортин, тироксинсвязывающий глобулин, прогестин, тестостерон-эстрогенсвязывающий глобулин.) С альбуминами крови неспецифически связано 5 – 10 % гормона. Благодаря низкой прочности связи эта форма являются основным источником свободных гормонов в крови.

3. Небольшая часть гормона связана с форменными элементами крови. Кроме функции депонирования, эта форма гормона оказывает влияние на функции форменных элементов крови, особенно лейкоцитов.

4. Физиологические эффекты гормонов

1. Рецепторы гормонов. Клетки (ткани, органы)-мишени, избирательно реагирующие на гормоны, имеют циторецепторы – белковые приемники и преобразователи гормонального сигнала. Эффекты всех гормонов реализуются через рецепторы, это первый, обязательный и наиболее специфичный механизм их действия.

• Циторецепторы расположены на клеточной мембране или в цитоплазме и ядре (500-30000 рецепторов в клетке). Одна клетка может быть чувствительна ко многим (более 20) гормонам, эффекты которых взаимно перекрываются и модифицуируются. (Гены гормональных рецепторов составляют около 7% генома человека. Рецепторы к гормону кодируются, как правило, семейством генов, поэтому к гормону имеются изоформы рецепторов.)

• Высокая специфичность рецепторов имеется при физиологических концентрациях гормонов. Однако она относительна: общий рецептор(ы) есть для хоцистакинина и гастрина, семейства цитокинов, фибробластных факторов роста и др., т.е. на один рецептор может действовать более, чем один гормон. Вместе с тем количество типов и подтипов рецепторов к одному гормону может быть от одного (инсулин, кортизол, глюкагон и др.) до 13-ти (серотонин).

• Изменение числа рецепторов клетки и их структуры является способом регуляции гор­монального ответа организма. Эффект гормона наблюдается при его концентрации, обеспечивающей занятость всего 5 – 10 % общего чис­ла рецепторов (т.е. имеется феномен «резервных» рецепторов).

• Повышение и снижение количества рецепторов в клетке может быть в результате изменения экспрессии генов и синтеза рецепторов, интернализация рецепторов (погружения рецепторов плазмолеммы в клетку) путем эндоцитоза и, напротив, обратного выноса их на поверхность клетки.

• Активность рецепторов может изменяться в результате инактивирующих и активирующих мутаций их генов.

• Инактивирующие мутации приводят к возникновению рецепторов с первичной резистентностью к гормонам. Они известны более чем для 10 гормонов, например, для АДГ (нефрогенный несахарный диабет), для лептина (ожирение) и др.

• Активирующие мутации приводят к увеличению гормональных эффектов (например, при семейном неиммунном гипертиреозе).

• (Снижать гормональный ответ могут укороченные рецепторы (растворимые рецепторы, рецепторы-ловушки). Они обнаружены для некоторых гормонов (преимущественно для цитокинов). Эти рецепторы, расположенные во внеклеточной жидкости, связывают и депонируют гормоны, мешая реализации их действия.)

• По месту взаимодействия с рецепторами гормоны разделяют на две группы: плохо проникающие в клетку (рецепторы к ним находятся в плазмолемме) и хорошо проникающие в клетку (рецепторы к ним находятся в цитоплазме и ядре).

2. Гормоны, плохо проникающие в клетку (белковые, катехоламины), соединяются с рецепторами на наружной поверхности клеточной мембраны и реализуют внутриклеточные эффекты двумя способами: через вторые посредники (аденилатциклазная, инозитидная и гуанилатциклазная системы) и без вторых посредников (тирозинкиназная и протеинкиназная системы) (Рис. 6.1.).

• Д ействии гормонов через вторые посредники реализуется через 3 системы: аденилатциклазную, фосфоинозитидную и гуанилатциклазную (рис. 7.1). Общий коэффициент усиления сигнала при действии гормона через вторые посредники равен 10⁵ – 10¹¹. Это значит, что одна молекула гормона реализует свой эффект через миллионы эффекторных молекул клетки.

• G-белок мембраны. Гормоны, действующие через аденилациклазную и фосфоинозитидную системы, после присоединения к рецепторам активируют тримерный G-белок мембраны. G-белок представляет собой фермент, расщепляющий ГТФ (ГТФаза), его активность регулируется гуанилнуклеотидами. В неактивность состоянии он связан с ГДФ.

• Активация состоит в обмене ГДФ на ГТФ в -субъединице G-белка. (При этом происходит его распад на -субъединицу и β-димер, имеющие самостоятельные регуляторные эффекты. Более изучено действие -субъединицы, являющейся ферментом ГТФазой. Гидролиз ГТФ до ГДФ освобождает энергию, используемую для передачи регуляторного сигнала. После реализации своего эффекта ГДФ--субъединица соединяется с β-димером, вновь образуя тримерный ГДФ–G-белок.)

• G-белки и вторые посредники. Известно три семейства G-белков – Gs, Gi, Gq. Они влияют на ферменты (аденилатциклазу, фосфолипазу С), образующие вторые посредники (цАМФ, инозитолтрифосфат, диацилглицерол). При этом G_s- и G_q-белки активируют, а G_i-белки ингибируют образование вторых посредников. (Через G-белки действуют около 60% современных лекарств – лекарства конца 20 века).

• Вторые посредники, в свою очередь, активируют соответствующие им протеинкиназы (ПК) – ферменты, фосфорилирующие клеточные белки. Обратимое фосфорилирование белков при действии протеинкиназ и дефосфорилирование при действии фосфатаз является наиболее универсальным механизмом изменения клеточных функций. Суперсемейство всех протенкиназ у человека составляет составляет более пятисот. Бòльшинство гормонов действует через ПК, фосфорилирующие клеточные белки по остаткам серина и треонина (аденилатциклазная, гуанилатциклазная и фосфоинозитидная системы), что изменяет их функциональную активность (чаще увеличивает). Мишенью для ПК являются различные белки: ионные каналы, рецепторы, ферменты, факторы транскрипции и трансляции, структурные белки. (Протеинкиназы являются мишенью для многих современных лекарств – лекарства 21 века)

• А денилатциклазная система. Эту систему используют гормоны, осуществляющие свой эффект через аденилатциклазу и синтез второго посредника – циклического АМФ (3,5-цАМФ). Действие гормона может как активировать, так и тормозить его образование (см. рис. 6.2).

• Комплекс «гормон + рецептор» активирует G_s-белок, который активирует аденилатциклазу и образование цАМФ (так действует около 30 гормонов: адреналин через -рецепторы, АДГ через V₂-рецепторы, глюкагон, АКТГ, ТТГ, ФСГ, ЛГ, МСГ, кортиколиберин, соматолиберин, кальцитонин, хориогонадотропин человека, паратгормон и др.).

• Комплекс «гормон + рецептор» активирует G_i-белок, который тормозит аденилатциклазу и образование цАМФ (так действуют адреналин через ₂-рецепторы, ангиотен­зин II через АТ‑рецепторы, аденозин через А_1,3–рецепторы, гистамин через Н_3,4-рецепторы, соматостатин, опиоидные пептиды через µ-, δ- и κ-рецепторы.

• цАМФ влияет на функции клетки через изменение активности протеинкиназы А, фосфорилирующей различные клеточные белки: мембранные (изменяется ее проницаемость), ферменты (изменяется метаболизм клетки), ядерные (изменяяется транскрипция), рибосом (изменяется трансляция), микротрубочек (движен ие и форма клетки) и др.

• Фосфоинозитидная система. Эту систему используют гормоны, которые, действуя через G_q-белок, активируют в мембране фосфолипазу С (рис. 6.3). Она образует из фосфолипида мембраны (фосфатидилинозитолдифосфата) два посредника – инозитол-1,4,5-трифосфат (ИФ₃) и 1,2-диацилглицерол (ДАГ).

• ИФ₃, поступив в цитоплазму, действует на рецепторы гладкой ЭПС, что приводит к открыванию Са²⁺-каналов и выходу Са²⁺ в цитозоль. Ионы Са²⁺ при этом выступает в качестве третьего посредника, который связывается с белком кальмодулином и активирует Са²⁺-кальмо­ду­лин­зависимую протеинкиназу. Последняя фосфорилирует эффекторные белки, влияющие на функции клеток, их пролиферацию и дифференцировку (регулирует активность аденилатциклазы и синтез цАМФ, фосфолипазы А₂ и синтез простагландинов, гуанилатциклазы и синтез цГМФ, фосфодиэстеразы и разрушение цАМФ и цГМФ; а также участвует в регуляции секреции инсулина, гормонов щитовидной железы, гипофиза и надпочечников, кишечной секреции и секреции нейромедиаторов).

• Уникальность Са²⁺ по сравнению с другими ионами, обеспечивающая ему роль посредника, связана с его способностью прочно связываться с белками клетки и при низких концентрациях 10^-8 – 10 ^–6 М сильно влиять на метаболизм и функции клетки. Гормоны могут увеличивать концентрацию Са²⁺ в цитозоле как в результате открывания Са²⁺-каналов клеточной мембраны, так и выхода Са²⁺ из гладкой ЭПС. В клетке есть специальные белки, связывающие Са²⁺ при низкой концентрации – кальмодулин, гуанилатциклаза, тропонин С и др. Присоединение Са²⁺ к этим белкам изменяет их конфигурацию и свойства. Это приводит к изменению многочисленных функций клеток – метаболической, секреторной, сократительной, биоэлектрической и др.

• ДАГ, оставаясь на внутренней поверхности мембраны, активирует протеинкиназу С, фосфорилирующую эффекторные белки (например, активирует киназу легкой цепи миозина), а также синтез простагландинов из арахидоновой кислоты, что изменяет функции клетки.

• Ч ерез ИФ₃ и ДАГ действуют около 40 гормонов: адреналин (₁-рецепторы), вазопрессин (V₁), ацетилхолин (М_1,3,5), ангиотензин II (АТ₁), гистамин (Н₁), серотонин (5–НТ₂), холецистокинин, окситоцин, ВИП, тиро- и гонадолиберин, окситоцин, простагландин F_2, лейкотриены С₄ и D₄ и др.

• Гуанилатциклазная система (рис. 6.4). Некоторые гормоны (например, цитокины) и медиатор ацетилхолин действуют через гуанилатциклазу, образующую второй посредник – циклический ГМФ (цГМФ). Гуанилатциклаза существует в двух формах – мембраносвязанной и растворимой в цитозоле.

• Мембраносвязанная гуанилатциклаза является частью рецептора плазмолеммы, ее активация гормоном (например, Na⁺-уретическим) увеличивает образования цГМФ, который стимулирует протеинкиназу G, фосфорилирующую белки.

• Растворимая в цитозоле гуанилатциклаза содержит в своем составе гем, с которым связывается сигнальная молекула – NО (оксид азота образуется из аргинина в ряде клеток – эндотелии, нейронах и др.). Активированная оксидом азота гуанилатциклаза через протеинкиназу G фосфорилирует белки (например, так действует ацетилхолин, вызывая расширение сосудов).

• В действии непроникающих в клетку гормонов, не использующих вторые посредники, выделяют две системы – тирозинкиназную и протеинкиназную.

• Тирозинкиназная система передает сигнал от гормона через специальные протеинкиназы – тирозинкиназы (ТК), фосфорилирующие белки по остаткам тирозина (а не серина и треонина). Известно около 100 тирозинкиназ. Тирозинкиназа может входить как в состав рецептора – его внутриклеточную часть (рецепторная ТК), так и не входить в состав рецептора, а быть самостоятельным внутриклеточным белком в цитоплазме (нерецепторная ТК) (рис. 6.5).

• Рецепторные тирозинкиназы. Через них действуют инсулин и факторы роста клеток. Связывание гормонов с рецепторными тирозинкиназами вызывает фосфорилирование внутриклеточного участка рецептора, при этом на нем появляются места (сайты) для стыковки с рядом белков, которые после их фосфорилирования по остаткам тирозина передают далее сигнал в цитоплазму и ядро. (К таким белкам относятся семейство белков Ras, факторы транскрипции и трансляции, ферменты фосфолипаза С-, протеинтирозинфосфатазы и др.)

• Нерецепторные тирозинкиназы. Через них действуют цитокины, эритропоэтин, СТГ, пролактин, лептин. Сигнал с рецептора переносится на тирозинкиназы, расположенные в цитозоле и/или связанные с внутренней поверхностью клеточной мембраны. Активированные тирозинкиназы фосфорилируют имеющие в цитозоле факторы транскрипции, которые затем поступают в течение нескольких минут в ядро клетки и участвуют в регуляции экспрессии генов. Эта система участвует в регуляции гемопоэза, иммунитета и воспаления, леток (например, в регенерации печени и нервных волокон).

• Протеинкиназная система построена аналогично тирозинкиназной системе,

но вместо рецепторной и нерецепторной тирозинкиназ имеются рецепторная и нерецепторная серин/треониновые протеинкиназы.Эта система наименее изучена. Имеются данные, что через рецепторную протеинкиназу действуют трансформирующий фактор роста-β, костные морфогенетические белки, а через нерецепторную протеинкиназу – фактор некроза опухолей-альфа и некоторые интерлейкины (ИЛ-1, ИЛ-18). Через протеинкиназную систему стимулируется воспаление (острая фаза), реакции иммунитета, адаптация организма, ингибируется апоптоз.

• Выше представлены преимущественные пути действия гормонов через отдельные системы посредников и системы без посредников. В действительности гормоны оказывают разветвленные эффекты. Это связано с тем, что один гормон использует несколько систем передачи сигнала. В свою очередь, эти системы взаимодействуют друг с другом (например, одной из важнейших «узловых станций» переключения является протеинкиназа С). В связи с этим реально действуют не отдельные системы передачи гормональных сигналов, а их сети.

• Клеточные эффекты липорастворимых гормонов, легко проникающих через клеточные мембраны (стероидные и тироидные гормоны, 1,25-(ОН)₂-витамин D₃).

• Гормон соединяется с ядерным рецептором. Рецепторы представляют собой белки (факторы транскрипции), прочно связанные с ДНК хроматина и дополнительными ядерными белками. Каждый рецептор содержит несколько специфических участков (доменов): ДНК-связывающий домен, гормонсвязывающий домен, домен, активирующий транскрипцию и др.

• Гормон + ядерный рецептор активирует процессы транскрипции (образование иРНК) и трансляции (взаимодействие рРНК, тРНК и иРНК, индуцирующее синтез белков и дифференцировку клеток). Например, глюкокортикоиды и тироидные гормоны стимулируют гены, обеспечивающие синтез ‑адренорецепторов. (Изучаются ядерные белки, способные как активировать, так и ингибировать действие на геном комплекса «гормон+рецептор».)

• Основные эффекты гормонов в целостном организме.

• Метаболический: гормоны – основные регуляторы активности ферментов.

• Нейрологический: гормоны через циторецепторы нейронов и глиоцитов действуют на образование процессов возбуждения и торможения, памяти, проницаемость гематоэнцефалического барьера, дифференцировки гипоталамуса.

• Морфогенетический: половые гормоны, СТГ, тироксин влияют на процессы роста тела и формообразования, созревания гонад и половой дифференцировки, высвобождения гамет.

• Кинетический: сокращение гладких мышц, секреция в эндо‑ и экзокринных железах, изменение пигментации.