Эндокринная система, гормоны и механизм их действия

Гормоны и механизм их действия

Первоначально термином “гормон” обозначали химические вещества, которые секретируются железами внутренней секреции в лимфатические или кровеносные сосуды, циркулируют в крови и оказывают действие на различные органы и ткани, находящиеся на значительном расстоянии от места их образования. Оказалось, однако, что некоторые из этих веществ (например, норадреналин), циркулируя в крови как гормоны, выполняют функцию нейропередатчика (нейротрансмиттера), тогда как другие (соматостатин) являются и гормонами, и нейропередатчиками. Кроме того, отдельные химические вещества секретируются эндокринными железами или клетками в виде прогормонов и только на периферии превращаются в биологически активные гормоны (тестостерон, тироксин, ангиотензиноген и др.).

Гормоны, в широком смысле слова, являются биологически активными веществами и носителями специфической информации, с помощью которой осуществляется связь между различными клетками и тканями, что необходимо для регуляции многочисленных функций организма. Информация, содержащаяся в гормонах, достигает своего адресата благодаря наличию рецепторов, которые переводят ее в пострецепторное действие (влияние), сопровождающееся определенным биологическим эффектом.

В настоящее время различают следующие варианты действия гормонов:

1) гормональное, или гемокринное, т.е. действие на значительном удалении от места образования;

2) изокринное, или местное, когда химическое вещество, синтезированное в одной клетке, оказывает действие на клетку, расположенную в тесном контакте с первой, и высвобождение этого вещества осуществляется в межтканевую жидкость и кровь;

3) нейрокринное, или нейроэндокринное (синаптическое и несинаптическое), действие, когда гормон, высвобождаясь из нервных окончаний, выполняет функцию нейротрансмиттера или нейромодулятора, т.е. вещества, изменяющего (обычно усиливающего) действие нейротрансмиттера;

4) паракринное — разновидность изокринного действия, но при этом гормон, образующийся в одной клетке, поступает в межклеточную жидкость и влияет на ряд клеток, расположенных в непосредственной близости;

5) юкстакринное – разновидность паракринного действия, когда гормон не попадает в межклеточную жидкость, а сигнал передается через плазматическую мембрану рядом расположенной другой клетки;

6) аутокринное действие, когда высвобождающийся из клетки гормон оказывает влияние на ту же клетку, изменяя ее функциональную активность;

7) солинокринное действие, когда гормон из одной клетки поступает в просвет протока и достигает таким образом другой клетки, оказывая на нее специфическое воздействие (например, некоторые желудочно-кишечные гормоны).

Синтез белковых гормонов, как и других белков, находится под генетическим контролем, и типичные клетки млекопитающих экспрессируют гены, которые кодируют от 5000 до 10 000 различных белков, а некоторые высокодифференцированные клетки – до 50 000 белков. Любой синтез белка начинается с транспозиции сегментов ДНК, затем транскрипции, посттранскрипционного процессинга, трансляции, посттрансляционного процессинга и модификации. Многие полипептидные гормоны синтезируются в форме больших предшественников-прогормонов (проинсулин, проглюкагон, проопиомеланокортин и др.). Конверсия прогормонов в гормоны осуществляется в аппарате Гольджи.

По химической природе гормоны делятся на белковые, стероидные (или липидные) и производные аминокислот.

Белковые гормоны подразделяют на пептидные: АКТГ, соматотропный (СТГ), меланоцитостимулирующий (МСГ), пролактин, паратгормон, кальцитонин, инсулин, глюкагон, и протеидные – глюкопротеиды: тиротропный (ТТГ), фолликулостимулирующий (ФСГ), лютеинизирующий (ЛГ), тироглобулин. Гипофизотропные гормоны и гормоны желудочно-кишечного тракта принадлежат к олигопептидам, или малым пептидам. К стероидным (липидным) гормонам относятся кортикостерон, кортизол, альдостерон, прогестерон, эстрадиол, эстриол, тестостерон, которые секретируются корой надпочечника и половыми железами. К этой группе можно отнести и стеролы витамина D – кальцитриол. Производные арахидоновой кислоты являются, как уже указывалось, простагландинами и относятся к группе эйкозаноидов. Адреналин и норадреналин, синтезируемые в мозговом слое надпочечника и других хромаффинных клетках, а также тироидные гормоны являются производными аминокислоты тирозина. Белковые гормоны гидрофильны и могут переноситься кровью как в свободном, так и в частично связанном с белками крови состоянии. Стероидные и тироидные гормоны липофильны (гидрофобны), отличаются небольшой растворимостью, основное их количество циркулирует в крови в связанном с белками состоянии.

Гормоны осуществляют свое биологическое действие, комплексируясь с рецепторами – информационными молекулами, трансформирующими гормональный сигнал в гормональное действие. Большинство гормонов взаимодействуют с рецепторами, расположенными на плазматических мембранах клеток, а другие гормоны – с рецепторами, локализованными внутриклеточно, т.е. с цитоплазматическими и ядерными.

Белковые гормоны, факторы роста, нейротрансмиттеры, катехоламины и простагландины относятся к группе гормонов, для которых рецепторы расположены на плазматических мембранах клеток. Плазматические рецепторы в зависимости от структуры подразделяются на:

1) рецепторы, трансмембранный сегмент которых состоит из семи фрагментов (петель);

2) рецепторы, трансмембранный сегмент которых состоит из одного фрагмента (петли или цепи);

3) рецепторы, трансмембранный сегмент которых состоит из четырех фрагментов (петель).

К гормонам, рецептор которых состоит из семи трансмембранных фрагментов, относятся: АКТГ, ТТГ, ФСГ, ЛГ, хорионический гонадотропин, простагландины, гастрин, холецистокинин, нейропептид Y, нейромедин К, вазопрессин, адреналин (a-1 и 2, b-1 и 2), ацетилхолин (М1, М2, М3 и М4), серотонин (1А, 1В, 1С, 2), дофамин (Д1 и Д2), ангиотензин, вещество К, вещество Р, или нейрокинин 1, 2 и 3 типа, тромбин, интерлейкин-8, глюкагон, кальцитонин, секретин, соматолиберин, ВИП, гипофизарный аденилатциклазактивирующий пептид, глютамат (MG1 – MG7), аденин.

Ко второй группе относятся гормоны, имеющие один трансмембранный фрагмент: СТГ, пролактин, инсулин, соматомаммотропин, или плацентарный лактоген, ИФР-1, нервные факторы роста, или нейротрофины, фактор роста гепатоцитов, предсердный натрийуретический пептид типа А, В и С, онкостатин, эритропоэтин, цилиарный нейротрофический фактор, лейкемический ингибиторный фактор, фактор некроза опухолей (р75 и р55), нервный фактор роста, интерфероны (a, b и g), эпидермальный фактор роста, нейродифференцирующий фактор, факторы роста фибробластов, факторы роста тромбоцитов А и В, макрофагный колониестимулирующий фактор, активин, ингибин, интерлейкины-2, 3, 4, 5, 6 и 7, гранулоцито-макрофагный колониестимулирующий фактор, гранулоцитный колониестимулирующий фактор, липопротеин низкой плотности, трансферрин, ИФР-2, урокиназный плазминогенный активатор.

К гормонам третьей группы, рецептор которых имеет четыре трансмембранных фрагмента, относятся ацетилхолин (никотиновые мышечные и нервные), серотонин, глицин, g-аминомасляная кислота.

Мембранные рецепторы являются интегральными компонентами плазматических мембран. Связь гормона с соответствующим рецептором характеризуется высокой аффинностью, т.е. высокой степенью сродства рецептора к данному гормону.

Биологический эффект гормонов, взаимодействующих с рецепторами, локализованными на плазматической мембране, осуществляется с участием “вторичного мессенджера”, или передатчика.

В зависимости от того, какое вещество выполняет его функцию, гормоны можно разделить на следующие группы:

1) гормоны,

2) гормоны, осуществляющие свое действие с участием циклического гуанидинмонофосфата (цГМФ);

3) гормоны, опосредующие свое действие с участием в качестве внутриклеточного вторичного мессенджера ионизированного кальция или фосфатидилинозитидов (инозитолтрифосфат и диацилглицерин) или обоих соединений;

4) гормоны, оказывающие свое действие путем стимулирования каскада киназ и фосфатаз.

Механизмы, участвующие в образовании вторичных мессенджеров, оперируют через активирование аденилатциклазы, гуанилатциклазы, фосфолипазы С, фосфолипазы А2, тирозинкиназ, Са2+- каналов и др.

Кортиколиберин, соматолиберин, ВИП, глюкагон, вазопрессин, ЛГ, ФСГ, ТТГ, хорионический гонадотропин, АКТГ, паратгормон, простагландины типа Е, D и I, b-адренергические катехоламины оказывают гормональное действие через активирование рецептора посредством стимуляции системы аденилатциклаза – цАМФ. В то же время другая группа гормонов, таких, как соматостатин, ангиотензин II, ацетилхолин (мускариновый эффект), дофамин, опиоиды и a2-адренергические катехоламины, угнетают систему аденилатциклаза – цАМФ.

В образовании вторичных мессенджеров для таких гормонов, как гонадолиберин, тиролиберин, дофамин, тромбоксаны А2, эндоперекиси, лейкотриены, агниотензин II, эндотелин, паратгормон, нейропептид Y, a1-адренергические катехоламины, ацетилхолин, брадикинин, вазопрессин, участвуют система фосфолипаза С, инозитол трифосфат, Са2+-зависимая протеинкиназа С. Инсулин, макрофагный колониестимулирующий фактор, тромбоцитарный производный фактор роста опосредуют свое действие через тирозинкиназу, а предсердный натрийуретический гормон, гистамин, ацетилхолин, брадикинин, эндотелийпроизводный фактор или оксид азота, который в свою очередь участвует в опосредовании вазодилататорного действия брадикинина, и ацетилхолин – через гуанилатциклазу. Следует отметить, что разделение гормонов по принципу активирующих систем или того или иного вторичного мессенджера условно, так как многие гормоны после взаимодействия с рецептором активируют одновременно несколько вторичных мессенджеров.

Большинство гормонов, взаимодействующих с плазматическими рецепторами, имеющих 7 трансмембранных фрагментов, активируют вторичные мессенджеры через связывание с гуанилатнуклеотидными белками или G-белками или регуляторными белками (Г-белки), которые являются гетеротримерными белками, состоящими из a-, b-, g-субъединиц. Идентифицировано более 16 генов, кодирующих a-субъединицу, несколько генов для b- и g-субъединиц. Различные виды a-субъединиц оказывают неидентичные эффекты. Так, a-s-субъединица ингибирует аденилатциклазу и Са2+-каналы, a-q-субъединица – фосфолипазу С, a-i-субъединица ингибирует аденилатциклазу и Са2+- каналы и стимулирует фосфолипазу С, К+-каналы и фосфодиэстеразу; b-субъединица стимулирует фосфолипазу С, аденилатциклазу и Са2+-каналы, а g-субъединица стимулирует К+-каналы, фосфодиэстеразу и угнетает аденилатциклазу. Точная функция других субъединиц регуляторных белков пока не установлена.

Гормоны, комплексирующие с рецептором, имеющим один трансмембранный фрагмент, активируют внутриклеточные ферменты (тирозинкиназу, гуанилатциклазу, серин-треонин киназу, тирозинфосфатазу). Гормоны, рецепторы которых имеют 4 трансмембранных фрагмента, осуществляют передачу гормонального сигнала через ионные каналы.

Исследованиями последних лет показано, что вторичные мессенджеры представляют собой не какое-то одно из перечисленных соединений, а многоступенчатую (каскадную) систему, конечным субстратом (веществом) которой могут быть одно или несколько биологически активных соединений. Так, гормоны, взаимодействующие с рецепторами, имеющими 7 трансмембранных фрагментов и активирующие Г-белок, затем стимулируют аденилатциклазу, фосфолипазу или оба фермента, что ведет к образованию нескольких вторичных мессенджеров: цАМФ, инозитол трифосфата и диацилглицерина. К настоящему времени эта группа представлена наибольшим количеством (более 100) рецепторов, к которым относятся пептидергические, дофаминергические, адренергические, холинергические, серотонинергические и другие рецепторы. В этих рецепторах 3 внеклеточных фрагмента (петли) ответственны за распознавание и связывание гормона, 3 внутриклеточных фрагмента (петли) связывают Г-белок. Трансмембранные (внутримембранные) домены гидрофобны, а вне- и внутриклеточные фрагменты (петли) – гидрофильны. С-терминальный цитоплазматический конец рецепторной полипептидной цепи содержит участки, где под влиянием активированных Г-белков происходит фосфорилирование, характеризующее активное состояние рецептора с одновременным образованием вторичных мессенджеров: цАМФ, инозитол трифосфата и диацилглицерина.

Взаимодействие гормона с рецептором, имеющим один трансмембранный фрагмент, приводит к активированию ферментов (тирозинкиназы, фосфаттирозинфосфатазы и др.), осуществляющих фосфорилирование тирозиновых остатков на белковых молекулах.

Комплексирование гормона с рецептором, относящимся к третьей группе и имеющим 4 трансмембранных фрагмента, приводит к активированию ионных каналов и вхождение ионов, что в свою очередь или стимулирует (активирует) серин-треониновые киназы, опосредующие фосфорилирование определенных участков белка, или приводит к деполяризации мембраны. Передача сигнала любым из перечисленных механизмов сопровождается эффектами, характерными для действия отдельных гормонов.

История изучения вторичных мессенджеров начинается с исследований Сатерленда и др. (1959), которые показали, что распад гликогена печени под влиянием глюкагона и адреналина происходит посредством стимулирующего влияния этих гормонов на активность фермента клеточной мембраны аденилатциклазы, которая катализирует превращение внутриклеточного аденозинтрифосфата (АТФ) в цАМФ (схема 1).

Собственно аденилатциклаза является гликопротеином с молекулярной массой около 150 000 кДа. Аденилатциклаза участвует с ионами Mg2+ в образовании цАМФ, концентрация которого в клетке составляет около 0,01-1 мкг•моль/л, тогда как содержание АТФ в клетке достигает уровня до 1 мкг•моль/л.

Образование цАМФ происходит с помощью аденилатциклазной системы, которая является одним из компонентов рецептора. Взаимодействие гормона с рецептором первой группы (рецепторы, имеющие 7 трансмембранных фрагментов) включает, по крайней мере, 3 следующих друг за другом этапа: 1) активирование рецептора, 2) передача гормонального сигнала и 3) клеточное действие.

Первый этап, или уровень, представляет собой взаимодействие гормона (лиганда) с рецептором, что осуществляется посредством ионных и водородных связей и гидрофобных соединений с вовлечением не менее 3 мембранных молекул Г-белка или регуляторного белка, состоящего из a-, b- и g-субъединиц. Это в свою очередь активирует мембраносвязанные ферменты (фосфолипазу С, аденилатциклазу) с последующим образованием 3 вторичных мессендежров: инозитол трифосфата, диацилглицерина и цАМФ.

Аденилатциклазная система рецептора состоит из 3 компонентов: собственно рецептора (стимуляторная и ингибиторная его части), регуляторного белка с его a-, b- и g-субъединицами и каталитической субъединицы (собственно аденилатциклазы), которые в обычном (т.е. нестимулированном) состоянии разобщены между собой (схема 2). Рецептор (обе его части – стимулирующая и ингибирующая) располагается на внешней, а регуляторная единица – на внутренней поверхности плазматической мембраны. Регуляторная единица, или Г-белок, в отсутствие гормона связана гуанозиндифосфатом (ГДФ). Комплексирование гормона с рецептором вызывает диссоциацию комплекса Г-белок – ГДФ и взаимодействие Г-белка, а именно его a-субъединицы с гуанозинтрифосфатом (ГТФ) и одновременное образование комплекса b/g-субъединицы, который способен вызывать определенные биологические эффекты. Комплекс ГТФ-a-субъединица, как уже отмечалось, активирует аденилатциклазу и последующее образование цАМФ. Последний активирует уже протеинкиназу А с соответствующим фосфорилированием различных белков, что проявляется также определенным биологическим действием. Кроме того, активированный комплекс ГТФ-a-субъединица в некоторых случаях регулирует стимуляцию фосфолипазы С, цГМФ, фосфодиэстеразы, Са2+- и К+-каналов и оказывает угнетающее влияние на Са2+-каналы и аденилатциклазу.

Схема 2. Механизм действия белковых гормонов путем активации цАМФ (объяснения в тексте).

Рс – рецептор, связывающий стимулирующий гормон,

Ст – стимулирующий гормон,

Ру – рецептор, связывающий угнетающий гормон,

Уг – угнетающий гормон,

Ац – аденилатциклаза,

Gy – гормонугнетающий белок,

Gc – гормонстимулирующий белок.

Роль гормона, таким образом, заключается в осуществлении замены комплекса Г-белок – ГДФ на комплекс Г-белок – ГТФ. Последний активирует каталитическую субъединицу, конвертируя ее в состояние, обладающее высокой аффинностью к комплексу АТФ-Mg2+, который быстро превращается в цАМФ. Одновременно с активацией аденилатциклазы и образованием цАМФ комплекс Г-белок – ГТФ вызывает диссоциацию гормонорецепторного комплекса путем снижения сродства рецептора к гормону.

Образовавшийся цАМФ активизирует в свою очередь цАМФ-зависимые протеинкиназы. Они представляют собой ферменты, осуществляющие фосфорилирование соответствующих белков, т.е. перенос фосфатной группы от АТФ к гидроксильной группе серина, треонина или тирозина, входящих в молекулу белка. Фосфорилированные таким образом белки непосредственно осуществляют биологический эффект гормона.

В настоящее время установлено, что регуляторные белки представлены более чем 50 различными белками, способными комплексироваться с ГТФ, которые подразделяются на Г-белки с небольшой молекулярной массой (20-25 кДа) и высокомолекулярные Г-белки, состоящие из 3 субъединиц (a – с мол. массой 39-46 кДа; b – 37 кДа и g-субъединица – 8 кДа). a-Субъединица является по сути ГТФазой, которая гидролизует ГТФ в ГДФ и свободный неорганический фосфат. b- и g-Субъединицы участвуют в образовании активного комплекса после взаимодействия лиганды с соответствующим рецептором. Высвобождая ГДФ в местах его связывания, a-субъединица вызывает диссоциацию и деактивацию активного комплекса, так как повторная ассоциация a-субъединицы – ГДФ с b- и g-субъединицами возвращает аденилатциклазную систему в исходное состояние. Установлено, что a-субъединица Г-белка в различных тканях представлена 8, b – 4 и g – 6 формами. Диссоциация субъединиц Г-белка в мембране клеток может приводить к одновременному образованию и взаимодействию различных сигналов, которые имеют на конце системы неодинаковые по силе и качеству биологические эффекты.