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: мембрано-опосредованный, характерный для водорастворимых гормонов, нс проникающих в клетку, а также цитозольный, по которому функционируют липофильные, 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).

Рецептор (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.

Фермент аденшатцшиаза (усилитель). Это компонент рецепторной системы, который воспринимает и многократно усиливает гормональный сигнал. Это гликопротеин с молекулярной массой около 150 kDa, локализованный в цитоплазматической мембране. Аденилатциклаза имеет две активные SH-группы и несколько аллостерических центров.

Регулятор (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 (Gst), другой — ингибитором (Ging). Каждый G-бслок 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-субъсдиницу, к которой присоединяется ГТФ. Этот комплекс взаимодействуете сульфгидрильной группой аденилатциклазы и активирует данный фермент. Активная аденилатциклаза катализирует процесс синтеза цАМФ из АТФ. Ингибиторное действие Gj -белка

ИЗ

обусловлено тем, что его 3,5-димер препятствует взаимодействию ГТФ с а-субъединицей G^-белка (рис. 11.1).

Активация аденилатциклазы сопровождается распадом ГТФ, при этом происходит ассоциация полипептидных цепей G-белка в тримср в комплексе с ГДФ. В процессе активации аденилатциклазы участвуют Mg2+, Са2+ 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).

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>

Алснилатциклазный путь передачи гормонального сигнала

Рис. 11.1. Алснилатциклазный путь передачи гормонального сигнала:

АЦ — аленилатииклаза: Gy — белок, стимулирующий активацию аленилатииклазы: GII4 — белок, ингибирующий действие аденилатциклазы

Схема активации протеинкиназы

Рис. 11.2. Схема активации протеинкиназы

Схема активации фосфорилазы

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 фосфопрогеинфосфатаз. Фосфорилирование белков пАМФ-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 фосфод и эстеразы 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 гуанидатциклазы 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 протеин киназам А или С. Однако цАМФ- и цГМФ-зависимое фосфорилирование белков строго специфично, обусловлено различными ферментными системами и реализует различные биологические эффекты.

Са-внутримешочный посредник гормонов. Поступление Са2+ в цитоплазму клетки регулируется гормонами, селективно изменяющими проницаемость мембран, Са2++-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, фосфод и эстеразы 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 для 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 трехдоменную структуру (рис. 11.5).

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

Образование активного комплекса фермент — кальмодулин-Са

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

Доменная структура цитозольного рецептора

Рис. 11.5. Доменная структура цитозольного рецептора:

/ — /V-концевой домен, связывающий рецептор с определенными участками ДНК; 2 — центральный ДНК-связываю шин домен; 3 — С-конисвой гормон — связывающий домен

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).

• 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

Цитозольный механизм действия гормонов

Рис. 11.6. Цитозольный механизм действия гормонов

Участок взаимодействия гормон-рецепторного комплекса с 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-рсцспторный 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 фосфопротсинфосфатазами 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.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >