Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 3 - Д. Мецлер 1980
Рост, дифференцировка и химическая коммуникация клеток
Гормоны
Регуляция жизнедеятельности сложного многоклеточного организма в огромной степени зависит от химических сигналов, передаваемых от одних клеток к другим. Один из основных способов коммуникации — это секреция гормонов в кровоток. Значительно менее изучен процесс химического обмена информацией через межклеточные контакты (гл. 1, разд. Е, 3, в). Этот процесс лучше всего исследован на нервных клетках, и в настоящее время нейрохимия стала одним из основных направлений биохимии. Коммуникация между клетками играет большую роль в эмбриональном развитии и в дифференцировке тканей. Правда, рост и развитие клеток регулируются не только внешними, но и внутренними факторами; последние определяются программами развития, закодированными в ДНК. В настоящей главе мы рассмотрим кратко как упомянутые вопросы, так и коммуникацию между организмами, т. е. биохимию экологических взаимосвязей.
Действие большей части гормонов осуществляется по одному из двух механизмов. В одном случае гормон присоединяется к рецептору на клеточной мембране. Например, глюкагон, адреналин и АКТГ связываются на поверхности клеток и стимулируют синтез сАМР (гл. 5, разд. В, 5), что в свою очередь запускает процесс химической модификации белков. Вполне вероятно, что стимуляция синтеза простагландинов (гл. 12, разд. Е, 3) осуществляется именно таким образом. Второй механизм действия гормонов связан с их присоединением к цитоплазматическим рецепторам, что в конечном счете приводит к влиянию на процесс транскрипции РНК. Стероидные гормоны, тироксин и гормон роста (соматотропин) относятся к числу соединений, которые действуют, по-видимому, именно таким образом. Рецепторы стероидных гормонов, локализованные в цитоплазме, прочно связывают поступающие в клетку стероиды [2]. После этапа «активирования» комплекс гормон — рецептор проникает в ядро, где связывается с определенными участками хроматина (связывающими местами), причем в последнем процессе, по-видимому, принимают участие некоторые негистоновые белки [3]. Химические основы указанных взаимодействий еще не выяснены. Можно лишь сказать, что в конечном итоге это приводит к инициированию транскрипции отдельных генов в клетках, чувствительных к гормонам [3а].
В целом действие гормонов подчиняется принципу обратной связи. Например, инсулин, как известно, стимулирует потребление глюкозы тканями. Однако понижение концентрации глюкозы в крови приводит к тому, что скорость секреции инсулина поджелудочной железой по принципу обратной связи понижается. Аналогичную регуляторную взаимосвязь можно проследить в отношении большинства гормонов. Иногда эта связь осуществляется в несколько этапов и включает чувствительные структуры центральной нервной системы. В таких случаях нервные импульсы стимулируют гипоталамус (разд. Б, 2), что приводит к высвобождению нейрогормонов, поступающих в переднюю долю гипофиза. Гипофиз в свою очередь продуцирует гормоны, например кортикотропин (адренокортикотропный гормон, АКТГ), который стимулирует синтез стероидных гормонов в коре надпочечников. Помимо прочих эффектов кортикостероиды оказывают (по принципу обратной связи) тормозящее влияние на гипоталамус, понижая секрецию АКТГ гипофизом. Методом радиоавтографии с использованием меченных Н3 стероидных гормонов удалось выявить локализацию специфических клеток головного мозга, чувствительных к исследуемому гормону [3b].
Характерной особенностью действия гормонов является уникальность их эффекта. Кроме того, действие одних гормонов, как правило, уравновешивается противоположным действием других. Например, как глюкагон, так и адреналин вызывают распад гликогена печени и поступление глюкозы в кровоток. Глюкокортикоиды повышают скорость образования глюкозы из других источников (гл. 11, разд. Е, 7). Гормон роста способствует увеличению содержания глюкозы в крови, подавляя использование глюкозы в тканях. С другой стороны, под действием инсулина увеличивается потребление глюкозы тканями и повышается эффективность утилизации. Гормон щитовидной железы, повышающий общий уровень клеточного обмена веществ, также способствует снижению концентрации глюкозы в крови.
Томпкинс [4] предложил обобщенную модель межклеточной коммуникации (взаимосвязи), опосредованной гормонами. Согласно этой модели, небольшое количество внутриклеточных «символов», т. е. соединений типа сАМР или в клетках прокариот ppGpp, участвуют в механизмах регуляции определенных звеньев (domains) обмена веществ в клетках. Роль циклических нуклеотидов как символов установлена твердо. Кроме того, в клетках эукариот вероятными кандидатами на эту роль выступают также ионы Са2+, Na+ и К+. У бактерий ppGpp служит символом, указывающим на недостаточность азота или аминокислот. В самых разных клетках, начиная от бактериальных и кончая клетками животных, повышение содержания сАМР — это символ дефицита источников углерода. Так, у Е. coli при недостатке в среде источников углерода возрастает концентрация сАМР, что стимулирует транскрипцию многих бактериальных оперонов (гл. 15, разд. Б.1, б). У Dictyostelium (гл. 1, разд. Г, 1) при голодании клетки секретируют сАМР. В последнем случае циклический нуклеотид функционирует в качестве гормона, осуществляя передачу сигнала от одних клеток другим.
Однако если у низших организмов сАМР используется как гормон, то у более высокоорганизованных животных такое его использование оказывается невозможным из-за высокой метаболической лабильности этого соединения. В результате дело обстоит так, что в нашем организме такие гормоны, как глюкагон и адреналин, переносят сигнал к клеточной поверхности, где они связываются с рецепторами и стимулируют образование сАМР. Это в свою очередь приводит к мобилизации метаболических ресурсов клетки, в частности гликогена и триглицеридов, что в точности соответствует реакции клетки на голодание. Согласно схеме, предложенной Томпкинсам, гормоны вырабатываются «сенсорными» клетками при прямом воздействии сигналов среды; затем поступая с кровью в более отдаленно расположенные клетки-«ответчики», активируют их. Картину можно представить еще более обосщенной, если учесть, что нервные медиаторы являются в основном производными аминокислот. Томпкинс предполагает, что эти аминокислоты; первоначально служили внутриклеточными символами, отражающими изменение концентрации аминокислот в среде, но в последующем стали использоваться для передачи сигналов на коротком расстоянии между клетками нервной системы.
Дополнение 16-А
Метод радиоиммунологического анализа
Одним из методических достижений, обеспечивших быстрый прогресс в изучении механизма действия гормонов, явилось применение специфических антител к гормонам или гормон-белковым комплексам. Благодаря использованию меченных радиоактивным изотопом гормонов метод радиоиммунологии позволяет определять исследуемое вещество в чрезвычайно низких концентрациях: порядка фемтомолей (т. е. то количество вещества, которое содержится в 1 мл раствора общей концентрации 10-12 М)а. В настоящее время разработаны методы радиоиммунологического определения практически любого очищенного гормонаб.
Опыт ставится обычно следующим образом. В серию пробирок наливают различные объемы пробы, в которой требуется определить концентрацию гормона, например инсулина. Одновременно готовят пробы, содержащие известное количество этого гормона. Затем в каждую пробирку добавляют стандартное количество меченого гормона (обычно используются гормоны, меченные 125І, испускающим у-лучи) и специфического к гормону антитела. Раствор инкубируют некоторое время (несколько минут или часов) для достижения равновесия между гормоном (антигеном) и комплексом антитело — гормон. Далее отделяют комплекс гормон—антитело, например, методом гель-фильтрации или осаждением сульфатом; аммония и измеряют радиоактивность полученного комплекса. Если в определяемой пробе гормон содержится в высокой концентрации, то разведение меченого гормона окажется выше, а радиоактивность комплекса гормон — антитело соответственно ниже по сравнению с пробой, где данный гормон присутствует в более низкой концентрации. Используя известные концентрации гормона, строят стандартную кривую, с помощью которой непосредственно определяют концентрацию гормона в исследуемой пробе.
а Brooker В., Terasake W. L., Price M. G., Science, 194, 270—276 (1976).
б Jaffe В. M., Behrmann H. R., eds., Methods of Hormone Radioimmunoassay, Acad. Press, New York, 1974.