Введение в молекулярную биологию: От клеток к атомам - Энтони Рис, Майкл Стернберг 2002

Клетки и молекулы за работой
Действие некоторых гормонов позвоночных

Рис. 41.1.

ГОРМОНЫ — вещества, продуцируемые специализированными тканями высших организмов и действующие как высокоспецифичные «химические сигналы». Структура гормонов крайне разнообразна: гормон инсулин, секретируемый поджелудочной железой, является белком (мол. масса 6000), а вазоактивный (т. е. влияющий на артериальное давление) амин адреналин, вырабатываемый мозговым веществом надпочечников, представляет собой небольшую ароматическую молекулу (мол. масса 172). Функция гормонов состоит в передаче информации от «клеток-датчиков», находящихся в непосредственном контакте с внешней средой. Гормоны легко распространяются по всему организму, и потому, когда они высвобождаются вырабатывающей их тканью, все ткани и органы, способные реагировать на них, делают это почти одновременно. Благодаря такой общей, согласованной реакции все части организма приходят в состояние, наиболее соответствующее условиям внешней среды.

Один и тот же гормон может вызвать изменения метаболизма в клетках разного типа. Например, повышение уровня глюкозы в крови человека после приема пищи служит для поджелудочной железы сигналом к секреции гормона инсулина, который стимулирует самые разные ткани-мишени (печень, жировую ткань, мышцы), способные утилизировать глюкозу и тем самым снижать ее концентрацию в крови. Глюкоза может затем быть использована тканями в метаболических процессах, продуцирующих энергию, или запасена в форме гликогена на будущее. Когда уровень глюкозы в крови снижается до нормального, секреция инсулина прекращается, и ткани-мишени возвращаются к такому состоянию, в каком они находились до стимуляции. Гормоны вообще мобилизуются, по-видимому, только тогда, когда метаболический статус организма нуждается в изменении. Все гормоны можно разделить на две большие группы в зависимости от того, в какой части клетки возникает первичный ответ на них: на клеточной поверхности, в результате их взаимодействия с рецепторами, связанными с плазматической мембраной, или во внутриклеточном пространстве, в результате воздействия на растворимые рецепторы в цитоплазме или ядре.

МЕМБРАННЫЕ РЕЦЕПТОРЫ — эго белки (нередко гликозилированные) плазматической мембраны, способные связывать гормоны. Рецепторы специфичны, и для их активации необходимо точное стерическое соответствие между ними и воздействующими на них молекулами; для каждого гормона существуют свои собственные рецепторы. Для того чтобы обладать способностью отвечать на разнообразные сигналы, поступающие из внешней среды и передаваемые с помощью гормонов, клетки должны нести на своей поверхности соответствующий набор рецепторов. Например, такая типичная клетка-мишень, какой является клетка печени, имеет рецепторы для инсулина, глюкагона (также полипептидный гормон), адреналина и многих других гормонов. Когда гормон подходит к клетке-мишени, он связывается со специфическими, предназначенными для него рецепторами, и это запускает цепь событий, приводящих к требуемым изменениям метаболизма. Детальный механизм того, как связывание гормона инициирует последующие события, неизвестен. Для некоторых гормонов, однако, уже идентифицированы так называемые эффекторы.

Эффекторы — это молекулы, которые активируются комплексом рецептора с гормоном, но не реагируют на свободный рецептор, без гормона. Согласно так называемой «гипотезе подвижных рецепторов», механизм активации включает в себя диффузию в мембране молекул — участниц процесса — и их последующую «стыковку». Наиболее изученный эффектор — аденилатциклаза, которая катализирует превращение АТР в 3',5'-АМР (циклический AMP, или сАМр). Этот фермент может активироваться многими рецепторами, из чего следует, что: 1) сАМР способен осуществлять регуляцию различных метаболических процессов; 2) разные рецепторы, возможно, имеют сходную структуру — по крайней мере в тех частях их молекул, которые реагируют с эффектором. В примере, показанном на рис. 41.1, рецептор и эффектор не взаимодействуют друг с другом непосредственно. Промежуточный процесс, через который связывание гормона индуцирует активацию эффектора, носит название трансдукции, а молекула, осуществляющая его, называется трансдуктором.

Трансдуктором является всякая молекула, которая реагирует на образование комплекса рецептора с гормоном, но сама по себе не способна вызывать метаболические изменения иным путем, кроме как активируя эффектор.

Типичный мезханизм действия гормонов (таких, как адреналин или полипептид глюкагон) показан в верхней части рис. 41.1. Гормон, связавшись с рецептором, делает его способным присоединяться к трансдуктору — так называемому G-белку, который в свою очередь, после присоединения рецептора, претерпевает конформационное изменение, приводящее к формированию GTP-связывающего центра. Комплекс G-белка с GTP связывается затем с ферментом аденилатциклазой, результатом чего является активация этого фермента и образование сАМР. Даже тогда, когда гормона нет и, следовательно, молекулы G-белка находятся преимущественно в неактивной конформации (не в комплексе с GTP), фермент-эффектор все же обладает некоторой активностью. Этим объясняется тот факт, что гормоны стимулируют уже протекающие метаболические процессы, а не «включают» новые, находившиеся на нулевом уровне. Смысл использования фермента в качестве эффектора в том, что такой эффектор обеспечивает образование очень большого числа молекул сАМР и исходный «гормональный сигнал» таким образом усиливается. Молекулы, функционирующие подобно сАМР, называют вторым посредником.

Второй посредник - это молекула (например сАМР, cGMP) или ион (например, Са²⁺); его концентрация в клетке под действием гормона возрастает.

Циклический AMP способен активировать множество различных внутриклеточных ферментов, например протеинкиназу. Этот фермент состоит из двух субъединиц, одна из которых — субъединица К — обладает киназной активностью (она присоединяет группу РО²~₄ к белку-субстрату), а другая — субъединица R — играет регуляторную роль. Связывание сАМР индуцирует отделение субъединицы R от субъединицы К, в результате чего последняя активируется. Активная К- субъединица фосфорилирует затем другие ферменты, переводя их таким образом из неактивной формы в активную и инициируя тем самым каскад метаболических реакций. Вызываемые эффекты могут проявляться быстро (изменение проницаемости мембраны) или замедленно (активация синтеза белка и ДНК). Регуляция путем снижения чувствительности к гормону может осуществляться, когда число рецепторов на клетке-мишени падает ниже уровня, необходимого для активации эффекторов. Такое состояние возникает закономерно, как одна из фаз нормального ответа. Когда клетка получает гормональный стимул, комплексы гормон-рецептор агрегируют в мембране, проникают внутрь клетки и затем разрушаются. Поскольку описанный процесс удаления рецепторов из мембраны протекает быстро, а процесс их замещения новосинтезированными или повторно использующимися рецепторами — сравнительно медленно, число рецепторов клеточной поверхности на какой-то период становится меньше минимально необходимого для обеспечения ответа на гормон. О клетке в таком состоянии говорят как о потерявшей чувствительность к гормону.

Цитоплазматические рецепторы - это обычно растворимые белки, способные связывать низкомолекулярные гормоны, такие, как стероиды (гл. 33). Стероиды являются высокоспециализированными гормонами, осуществляющими свое действие в ядре определенных клеток-мишеней. После выделения соответствующей тканью (например, корой надпочечников, продуцирующей более 30 различных стероидов) стероиды разносятся по организму кровотоком и благодаря жирорастворимости проникают через мембрану в цитоплазму клетки-мишени. Попав в клетку, стероиды связываются со специфическими рецепторами. Примером стероидного гормона может служить прогестерон, продуцируемый желтым телом и играющий важную роль в сохранении беременности и регуляции менструального цикла. Действие прогестерона опосредуется прогестероновыми рецепторами.

Прогестероновый рецептор представляет собой димерную молекулу; он содержится в цитоплазме клеток-мишеней, имеющихся, например, в молочной железе. Связывание прогестерона стабилизирует димерную структуру рецептора и вызывает изменение его формы. Комплекс рецептора с гормоном обладает способностью проходить через ядерную мембрану, однако механизм этого процесса неясен. Очутившись в ядре, комплекс связывается со специальными участками хроматина и изменяет скорость транскрипции определенных генов. Стимуляция транскрипции приводит к увеличению количества молекул мРНК и тем самым к повышению внутриклеточного уровня кодируемых ими белков. Поскольку прогестерон изменяет скорость транскрипции и увеличивает концентрацию мРНК, результатом его действия — как и действия других гормонов — является усиление уже протекающих метаболических процессов, а не индукция новых. Схема действия прогестерона, приведенная в нижней части рис. 41.1, представляет собой попытку наилучшим образом отразить имеющиеся экспериментальные данные. С акцепторным участком ДНК связывается В-субъединица комплекса рецептора с прогестероном, тогда как его А-субъединица присоединяется к эффекторному участку, в результате чего возрастает скорость работы РНК-полимеразы и, следовательно, количество мРНК, синтезируемой на соответствующих генах.