11.2.3. Классификация гормонов

Имеется несколько вариантов классификации гормонов, например по месту их синтеза. Таким путем можно выделить гормоны гипоталамуса, гипо­физа, щитовидной железы, надпочечников, поджелудочной железы, половых желез и др. Такое разделение гормонов имеет ряд недостатков, так как некото­рые гормоны могут синтезироваться в нескольких железах, например половые гормоны частично могут синтезироваться в надпочечниках.

Более оправданной является классификация гормонов по химическому строению. По этой классификации их можно разделить на три группы: белково-пептидные гормоны, гормоны, производные ароматических аминокислот, и сте­роиды. Первая группа представлена гормонами гипоталамуса, гипофиза, пара-щитовидной и поджелудочной желез. Во вторую группу входят гормоны щито­видной железы и мозгового слоя надпочечников, а в третью — гормоны коры надпочечников и половых желез.

11.2.4. Биологические свойства гормонов

Гормоны отличаются необычайно высокой биологической активностью. Биологический эффект проявляется при концентрации гормона порядка 10-9-Ю-¹²М.

Гормоны обладают высокой специфичностью, индуцируя строго специ­фичную клеточную реакцию клеток-мишеней.

Большинство гормонов проявляет дистантное действие, связываясь с клетками-мишенями на значительном расстоянии от места образования гор­мона.

11.2.5. Механизмы действия гормонов

В последние десятилетия достигнуты большие успехи в расшифровке мо­лекулярных механизмов действия гормонов. Этому в немалой степени способ­ствовали такие важные события, как открытие вторичных внутриклеточных посредников (цикло-АМФ, цикло-ГМФ, фосфоинозитидов и ионов кальция),

разработка радиоизотопных методов исследования гормональных рецепторов, а также открытие ГТФ-связывающих белков, обеспечивающих передачу сиг­налов вовнутрь клетки. Несмотря на большое количество гормонов, обладаю­щих к тому же разнообразными функциями и имеющих различные структуры, механизмы их действия в значительной мере унифицированы. Можно выде­лить два основных механизма действия гормонов на клетки-мишени: мембра-но-опосредованный, характерный для водорастворимых гормонов, не прони­кающих в клетку, а также цитозольный, по которому функционируют липо-фильные, водонерастворимые гормоны, легко пересекающие плазматические

мембраны.

Мембрано-опосредованный механизм. Основные циклы первого этапа передачи гормонального сигнала протекают в плазматической мембране. Они связаны с узнаванием и трансформацией гормонального сигнала и осуществ­ляются при помощи сложной надмолекулярной системы в несколько этапов. М. Родбелл, формализуя проблему с точки зрения кибернетики, так обозначил эти этапы: дискриминатор (рецептор) узнает сигнал, далее происходит преоб­разование его при помощи соответствующего преобразователя и, наконец, усилитель усиливает его на несколько порядков уже внутри клетки. Ниже при­ведена схема передачи информационного сигнала (по Rodbell).

1Рецептор (дискриминатор). Он селекционирует и узнает соответствующий гормон и создает условия для каскадного усиления гормонального сигнала. Рецептор представляет собой гликопротеин, причем гликозидная часть его принимает непосредственное участие в связывании гормона.

3Фермент аденилатциклаза (усилитель). Это компонент рецепторной системы, который воспринимает и многократно усиливает гормональный сиг­нал. Это гликопротеин с молекулярной массой около l50kDa, локализован­ный в цитоплазматической мембране. Аденилатциклаза имеет две активные SH-группы и несколько аллостерических центров.

2Регулятор (преобразователь). Он представляет собой белки, связанные и с рецептором, и с аденилатциклазой. Фактически это два белка, имеющие срод­ство к ГТФ, поэтому их называют G-белки. Один из этих белков является ак­тиватором (стимулятором) аденилатциклазы (G_st), другой — ингибитором (Gjng)- Каждый G-белок состоит из трех полипептидных цепей (а, р и у). В со­стоянии «покоя» тример G-белка ассоциирован с ГДФ. Молекулярные меха­низмы, связанные с трансляцией и усилением сигнала, заключаются в следую­щем. Гормон, взаимодействуя с рецептором, изменяет его конформацию, при этом происходит диссоциация комплекса С₅₁-белок-ГДФ. Кроме того, сам G-белок диссоциирует на р,у-димер и а-субъединицу, к которой присоединя­ется ГТФ. Этот комплекс взаимодействует с сульфгидрильной группой адени­латциклазы и активирует данный фермент. Активная аденилатциклаза катали­зирует процесс синтеза цАМФ из АТФ. Ингибиторное действие G^g-белка

обусловлено тем, что его р,5-димер препятствует взаимодействию ГТФ с а-субъединицей G_g-белка (рис. 11.1).

Активация аденилатциклазы сопровождается распадом ГТФ, при этом происходит ассоциация полипептидных цепей G-белка в тример в комплексе с ГДФ. В процессе активации аденилатциклазы участвуют Mg²⁺, Ca²⁺ и Мп²⁺, способствующие регуляции активности фермента. \

Циклические аденинмононуклеотиды в цитоплазме взаимодействуют с ферментом протеинкиназой А или С, которая в отсутствие цАМФ находится в неактивном состоянии. Протеинкиназа представляет собой тетрамер, состоя­щий из двух каталитических (С₂) и двух регуляторных (R₂) субъединиц, кото­рый под действием цАМФ диссоциирует на два димера (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Схема активации протеинкиназы

После диссоциации протеинкиназы ее каталитические субъединицы осу­ществляют процесс фосфорилирования белков. Присоединение фосфатной группировки происходит по ОН-группам аминокислотных остатков тирозина, треонина или серина, при этом структура и биологическая активность фосфо-рилированного белка может существенно изменяться. В качестве примера можно привести активацию фосфорилазы Ь, которая под действием киназы фосфорилазы b фосфорилируется и превращается в активную фосфорилазу а,

фосфорилаза b фосфорилаза а

Рис. 11.3. Схема активации фосфорилазы

катализирующую процесс отщепления от гликогена и фосфорилирования глюкозы (рис. 11.3).

Процесс дефосфорилирования белков происходит под действием фермен­тов группы фосфопротеинфосфатаз. Фосфорилирование белков цАМФ-зави-симыми протеинкиназами не ограничивается цитоплазмой. С-Каталитиче­ские субъединицы протеинкиназ способны пересекать ядерные мембраны и, фосфорилируя ядерные белки — гистоны, регулировать генную активность клеток.

Избыточное количество цАМФ разрушается под действием фосфодиэсте-разы. Имеются две формы этого фермента: растворимая, активируемая иона­ми Са²⁺, и мембраносвязанная, каталитическое действие которой не связано с Са²⁺. Для активации растворимой фосфодиэстеразы кроме ионов кальция не­обходим специальный кальций-связывающий белок — кальмодулин. Комп­лекс Са²⁺-кальмодулин присоединяется к фосфодиэстеразе и активирует ее:

Гуанилатциклазная система, подобно вышеописанной, основана на акти­вации гуанилатциклазы и образовании цГМФ. Обнаружены две изоформы гу-анилатциклазы — растворимая и мембранно-связанная. Последняя в результа­те гормонального сигнала или действия специфичных пептидов активируется и катализирует синтез цГМФ по схеме:

Имеется семейство цГМФ-зависимых протеинкиназ (протеинкиназы G), которые осуществляют фосфорилирование белков, подобно протеинкиназам А или С. Однако цАМФ- и цГМФ-зависимое фосфорилирование белков стро-

го специфично, обусловлено различными ферментными системами и реализу­ет различные биологические эффекты.

Са²⁺-внутриклеточный посредник гормонов. Поступление Са²⁺ в цитоплаз­му клетки регулируется гормонами, селективно изменяющими проницаемость мембран, Са²⁺/Н⁺-АТФ-зависимым насосом, а также освобождением Са²⁺, депонированного в митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме. Белок кальмодулин присоединяет четыре иона Са²⁺, что приводит к резкому измене­нию его конформации в основном за счет увеличения степени а-спирализа-ции. В результате кальмодулин-зависимые ферменты могут активироваться (инактивироваться) и изменять скорость зависимых биохимических процес­сов в клетке (рис. 11.4).

Из множества ферментов, регулируемых Са²⁺, следует отметить протеин-киназы С, фосфорилирующие растворимые белки цитозоля, фосфодиэстера-зы и аденилатциклазы, которые, в свою очередь, являются регуляторами про­цессов фосфорилирования белков. Связь Са²⁺ с гормонами очевидна, так как при его дефиците действие гормонов прекращается. В приведенном выше примере фосфорилирования фосфорилазы b и перевода ее в активную форму существенную роль играет Са²⁺-кальмодулин.

Цитозольный механизм. Он характерен ддя липофильных гормонов, лег­ко проникающих в клетку. К ним относятся стероидные гормоны и некоторые гормоны, производные ароматических аминокислот. Рецепторы этих гормо­нов локализованы в цитоплазме или в ядре и представляют собой первый мо­лекулярный элемент, воспринимающий внеклеточный информационный сиг­нал посредством специфического связывания и включающий цепь последую­щих событий.

Внутриклеточные рецепторы относятся к сложным глобулярным белкам — гликопротеинам с молекулярной массой от 60 до 250 kDa. Они имеют трехдо-менную структуру (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Доменная структура

цитозольного рецептора:

/ — yV-концевой домен, связывающий

рецептор с определенными участками

ДНК; 2— центральный ДНК-связываю-

ший домен; 3 — С-концевой гормон —

связывающий домен

активный комплекс фермент — кальмодулин-Са²⁺

Рис. 11.4. Образование активного комплекса фермент — кальмодулин-Са²⁺

Неактивированные рецепторы или апорецепторы в своем составе содер­жат белки теплового шока: hsp 90, hsp 70 и hsp 56, которые также присоединя-

т б л и ц а 11.1 Степень аффинности активированных рецепторов к компонентам ядра

Связь с ядерными структурами	Рецепторы
Прочная связь с ядром без лиганда	Рецепторы гормонов щитовидной железы
Локализованы в цитоплазме. В отсутствие лиганда могут образовывать слабую связь с ядром. Под действием гормона аффинитет к ядру резко возрастает	Рецепторы стероидных и половых гормонов
Локализованы в цитоплазме. В присутствии лиганда аффинитет к ядру более слабый	Рецепторы витамина D

ются к С-концевому домену и в отсутствие лиганда поддерживают рецептор в неактивном состоянии. Белок теплового шока hsp 90 увеличивает аффинность связывания рецептора с гормоном, подавляя вместе с тем его сродство к ком­понентам ядра клетки. Присоединение к рецептору комплементарного гормо­на приводит к диссоциации белков теплового шока, после чего гормон-рецеп-торный комплекс фосфорилируется и приобретает аффинность к ядрам, т. е. активируется (табл. 11.1).

Механизм передачи и трансформации гормонального сигнала осуществ­ляется в несколько этапов (рис. 11.6).

Рис. 11.6. Цитозольный механизм действия гормонов

• Транспорт гормона в клетку. Широко распространенное ранее мнение о том, что липофильные гормоны проходят через бислойные мембраны клеток посредством простой диффузии, подвергается сомнению из-за наличия гидро­фильного слоя гликопротеинов на клеточной поверхности. Более вероятным

Область регуляторной ДНК Область структурной ДНК

Рис. 11.7. Участок взаимодействия гормон-рецепторного комплекса с ДНК

представляется наличие специальных переносчиков гормонов, переносящих их вовнутрь клетки методом облегченной диффузии.

• Образование гормон-рецепторного комплекса. Гормон присоединяется к своему рецептору, при этом происходит фосфорилирование рецептора и от­деление от него белков теплового шока.

• Транслокация комплекса в ядро. Активированный гормон-рецепторный комплекс связывается с ядерными мембранами и перемещается в ядро клетки.

• Взаимодействие гормон-рецепторного комплекса с ядерными структу­рами. После перемещения в ядро активный гормон-рецепторный комплекс взаимодействует с регуляторными последовательностями структурных генов ДНК в области промотора, что приводит к увеличению транскрипционной ак­тивности (рис. 11.7).

• Отделение гормон-рецепторного комплекса от хроматина. После осво­бождения гормон-рецепторного комплекса и его дефосфорилирования ядер­ными фосфопротеинфосфатазами происходит диссоциация комплекса на гор­мон и рецептор, последний перемещается в цитоплазму, ассоциируется с бел­ками теплового шока и включается в следующий цикл передачи гормонально­го сигнала. Этот процесс называется рециклизацией гормонального рецептора. В некоторых случаях рециклизация не происходит, так как рецептор после поступления из ядра в цитоплазму подвергается протеолитическому расщеп­лению.