Последовательность реакций и число синтезированных молекул в аденилатциклазной системе

Такое биохимическое усиление в каскаде помогает понять, каким образом гормоны и другие биологически активные вещества оказывают физиологические эффекты в чрезвычайно низких концентрациях.

Через аденилатциклазную систему действуют ФСГ, ЛГ, хорионический гонадотропин, МСГ, антидиуретический гормон (вазопрессин), катехоламины (когда их влияние осуществляется через β-адренергические рецепторы), глюкагон, паратирин, кальцитонин, секретин, гонадотропин, тиреолиберин, липотропин. Ответ на действие этих гормонов наблюдается уже через короткий промежуток времени и, как правило, прямо пропорционален количеству «вторичного мессенджера»- цАМФ.

Таким образом, цАМФ может вызвать разнообразные физиологические ответы благодаря тому, что он может фосфорилировать многие протеинкиназы, участвующие в инициации различных процессов.

Кроме этого, разнообразие этих эффектов может быть связано с тем, что протеинкиназы могут активировать одни энзимы, а другие – инактивировать.

Этот процесс происходит в клетках, мембрана которых содержит другой регуляторный белок Gi. Это ведет к уменьшению синтеза цАМФ, уменьшению фосфорилирования белков внутри клетки и соответствующему физиологическому ответу. Например, ингибирует аденилатциклазу соматостатин, ангиотензин II, адреналин через β-адренорецепторы активирует аденилатциклазу, а через α-адренорецепторы – подавляет.

2.Другой циклический нуклеотид – гуанозинмонофосфат (цГМФ) тоже может выступать в качестве вторичного мессенджера. Он образуется при активации (или ингибировании) гуанилатциклазы, локализованной в мембране, как и аденилатциклаза. цГМФ также стимулирует протеинкиназу, увеличивает число фосфорилированных белков, приводя к физиологическому ответу. Эта система распространена меньше, чем аденилатциклазная. В большинстве тканей биохимические эффекты цАМФ и цГМФ противоположны. Примерами могут служить стимуляция сокращений сердца под влиянием цАМФ и торможение их цГМФ, стимуляция сокращения гладких мышц кишечника цГМФ и подавление цАМФ. Ферментативный гидролиз цГМФ осуществляется с помощью специфической фосфодиэстеразы.

3.Ионы Са⁺⁺ являются вторичными мессенджера разнообразных внутриклеточных процессов. В неактивированной клетке они присутствуют в низкой концентрации (10^-8–10^{-7 М). В активированной клетке его концентрация возрастает до 10-5 М.}

Увеличение концентрации ионов Са⁺⁺ в цитоплазме клетки достигается двумя путями (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Механизмы повышения концентрации Са⁺⁺ в цитоплазме.

При связывании рецептора мембраны с гормоном (первичный мессенджер) открываются медленные неэлектрогенные кальциевые каналы мембран, в результате чего ионы Са⁺⁺ из внеклеточной жидкости поступают в цитоплазму клетки.

Второй причиной возрастания концентрации ионов Са⁺⁺ в цитоплазме является их выход из ЭПС и других органоидов клетки. Этот процесс имеет следующую последовательность: взаимодействие гормона с рецептором → активация протеина G в мембране, который стимулирует мембранную фосфолипазу С (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Образование вторичных мессенджеров – инозитол-3-фосфата и диацилглицерола и их роль в механизмах действия гормонов.

4.Этот энзим вызывает гидролиз фосфолипидов (PIP₂) мембраны с образованием двух вторичных посредников: инозитол-3-фосфата (IP₃) и диацилглицерола (DAG). Инозитол-3-фосфат стимулирует выход Са⁺⁺ из внутриклеточных депо, в основном из эндоплазматического ретикулума.

При возрастании концентрации Са⁺⁺ в цитозоле до 10^{-5 М последний связывается с белком цитозоля кальмодулином.}

Кальмодулин - рецепторный белок с высокой аффинностью к кальцию, состоит из 148 аминокислотных остатков и присутствует во всех содержащих ядро клетках. Его молекулярная масса 17 000, каждая молекула имеет 4 рецептора для связывания кальция.

В мышечных клетках роль кальмодулина выполняет тропонин С. Связанный с кальцием кальмодулин изменяет свою пространственную организацию и активирует многочисленные протеинкиназы, обеспечивающие фосфорилирование белков.

Кальмодулин активирует фосфодиэстеразу цАМФ, что подавляет ее эффект как вторичного посредника. Кратковременное увеличение в клетке кальция и его связывание с кальмодулином является пусковым стимулом для многочисленных физиологических процессов — сокращения мышц, секреции гормонов и выделения медиаторов, синтеза ДНК, изменения подвижности клеток, транспорта веществ через мембраны, изменения активности ферментов (рис. 3.5.).

Рис. 3.5. Механизм возрастания концентрации Са⁺⁺ в цитозоле и его роль как вторичного мессенджера.

5. Другой вторичный посредник, образующийся при гидролизе фосфолипидов мембран, диацилглицерол (DAG), без участия кальмодулина, активирует протеинкиназу С, что также завершается процессами фосфорилирования других белков и развитием физиологического ответа (секреция, сокращение и т.д.).

Кальциевый механизм действия свойственен ангиотензинам, окситоцину, кальцитонину, паратгормону и т.д.

Таким образом, в основе действия таких вторичных мессенджеров как цАМФ, цГМФ, DAG, активированный Са⁺⁺ кальмодулин лежит их способность активировать протеинкиназу.

В большинстве клеток организма присутствуют или могут образовываться почти все из рассмотренных выше вторичных посредников, за исключением лишь цГМФ. В связи с этим, между вторичными посредниками устанавливаются различные взаимосвязи: 1) равноправное участие, когда разные посредники необходимы для полноценного гормонального эффекта; 2) один из посредников является основным, а другой лишь способствует реализации эффектов первого; 3) посредники действуют последовательно (например, инозитол-3-фосфат обеспечивает освобождение кальция, диацилглицерол облегчает взаимодействие кальция с протеинкиназой С); 4) посредники дублируют друг друга для обеспечения избыточности с целью надежности регуляции; 5) посредники являются антагонистами, т.е. один из них включает реакцию, а другой — тормозит (например, в гладких мышцах сосудов инозитол-3-фосфат и. кальцин реализуют их сокращение, а цАМФ — расслабление).

Иной механизм действия стероидных гормонов (рис. 3.6), к которым относятся гормоны коры надпочечников и половые гормоны. Стероидные гормоны транспортируются в крови в связанном с белками состоянии, и лишь незначительная их часть находится в свободной форме. Гормон, находящийся в свободной форме, способен взаимодействовать с мембраной клетки и проходить через нее в цитоплазму, где связывается с цитоплазматическим рецептором, который отличается высокой специфичностью. Например, из гепатоцитов выделены рецепторные белки, связывающие только глюкокортикоиды или эстрогены. В настоящее время идентифицированы рецепторы к эстрадиолу, андрогенам, прогестерону, глюкокортикоидам и минералокортикоидам. Концентрация рецепторов в соответствующих тканях-мишенях составляет от 10³ до 5х10⁴ на клетку. Стероидные рецепторы являются белками с мол. м. около 70 000.

Считается, что стероидные гормоны образуют с цитоплазматическим рецептором гормонорецепторный комплекс, который подвергается трансформации и перемещается (транслоцируется) в ядро, где стероид связывается ядерным хроматином. Возможно поступление гормона в ядро без предварительного связывания его с цитоплазматическим рецептором.

Рис. 3.6. Механизмы действия стероидных и тиреоидных гормонов.

Наряду с этим имеются данные, что стероиды вначале могут связываться со специфическими белками мембраны клетки, которые транспортируют их или к цитоплазматическому рецептору, или, минуя его, непосредственно к рецепторам ядра. В ядре клетки гормон-рецепторный комплекс, взаимодействуя с ДНК, триггирует (запускает) процесс транскрипции, в результате образуется мРНК, с последующим синтезом специфического белка, что и приводит к развитию физиологического ответа. Эффект действия стероидных гормонов проявляется не сразу, а спустя определенное время, которое необходимо для образования РНК и последующего синтеза специфического белка.

Тиреоидные гормоны (тироксин T₄ и трийодтиронин - Т₃), так же как и стероидные, легко диффундируют через липидную клеточную мембрану и взаимодействуют с внутриклеточными рецепторами. По другим данным, сначала они взаимодействуют с рецептором на плазматической мембране и лишь после этого попадают в цитоплазму, где комплексируются с белками, образуя так называемый внутриклеточный пул тиреоидных гормонов. Сродство внутриклеточных рецепторов к трийодтиронину (Т₃) в 10-20 раз больше, чем к Т₄ (тироксину). Поэтому биологическое действие в основном осуществляется Тз, а Т₄ превращается в Тз, который связывается с ядерными, цитоплазматическим и митохондриальными рецепторами.

Тиреоидные гормоны регулируют синтез белка на уровне транскрипции, и это их действие, обнаруживаемое через 12-24 ч, может быть блокировано введением ингибиторов синтеза РНК. Помимо внутриклеточного действия, тиреоидные гормоны стимулируют транспорт глюкозы и аминокислот через клеточную мембрану, непосредственно влияя на активность некоторых локализованных в ней ферментов.

Таким образом, специфическое действие гормона проявляется лишь после комплексирования его с соответствующим рецептором. Это вызывает последовательную цепь пострецепторных взаимодействий, заканчивающихся проявлением специфического биологического эффекта гормона.

Отсюда следует, что биологическое действие гормона зависит не только от его содержания в крови, но и от количества и функционального состояния рецепторов, а также от уровня функционирования пострецепторного механизма.

Количество клеточных рецепторов, как и других компонентов клетки, постоянно изменяется, отражая процессы синтеза и разрушения.

Например, для каждого вида гормонов имеются агонисты и антагонисты. Последние представляют собой вещества, которые способны конкурентно связывать рецептор к гормону, снижая его биологический эффект. Агонисты, наоборот, комплексируясь с соответствующим рецептором, усиливают действие гормона. Так, для кортизола прогестерон является антагонистом, кортикостерон - агонистом, а альдостерон - слабым агонистом. Антагонистом альдостерона служит спиронолактон. Эти взаимоотношения учитывают не только в эксперименте при уточнении механизма действия гормонов, но и в клинической практике, которые не оказывают биологического эффекта. Например, прогестерон, являясь антиглюкокортикоидом, связывает рецепторы глюкокортикоидов, эстрогены – антиандрогены – связывают рецепторы андрогенов, но не оказывает их специфического действия.

Второй способ регуляции чувствительности клетки к гормону – переход рецептора вместе со связанным с ним гормоном в цитоплазму или в ядро. Это явление получило название интернализации. В результате уменьшения концентрации мембранных или цитоплазматических рецепторов, снижается скорость их взаимодействия с вновь входящим в клетку гормоном.

Важную роль в регуляции числа рецепторов играет скорость их синтеза и разрушения, регулируемая гормонами. Например, эстрогены резко повышают уровень прогестиновых рецепторов в клетках матки и яйцеводов и рецепторов окситоцина в молочной железе и матке. Эти данные хорошо согласуются с известными данными о том, что эстрогены сенсибилизируют (повышают чувствительность) к прогестину и окситоцину этих тканей.

При старении не только снижается секреция половых гормонов, но и значительно снижается число рецепторов к половым гормонам в тканях-мишенях.

Одна из наиболее изученных форм патологии рецепторного аппарата – ожирение, сопряженное с инсулинорезистентностью. При этом наблюдается недостаточность мембранных рецепторов инсулина, приводящей к ареактивности клеток-мишеней к гормонам.

Инсулинонезависимый диабет характеризуется нормальной секрецией инсулина, но при этом наблюдается снижение, как числа инсулиновых рецепторов, так и их чувствительности к инсулину. Поэтому имеет место снижение связывания инсулина. Это явление было обнаружено у многих клеток – жировых, эритроцитах, нейтрофилах, Т-лимфоцитах и т.д.

Синдром тестикулярной феминизации – генетически обусловленное заболевание, проявляющееся в форме врожденного мужского псевдогермафротизма. При этом заболевании секреция тестостерона не изменена, но резко снижено, иногда до нуля число андрогенных рецепторов.

Аналогично у женщин при нормальной секреции эстрогенов может быть снижено число рецепторов к ним. Результат – мужеподобный вид и т.д. (синдром Марриса; например, у Жанны д’Арк).

Важное значение имеет тот факт, что клетки некоторых опухолей могут содержать малое или большое число рецепторов. Например, при раке молочной железы увеличение числа рецепторов к эстрогенам в опухолевых клетках ведет к увеличению влияния на рост опухоли этих гормонов. Поэтому в настоящее время определяется содержание рецепторов к различным гормонам в опухолевых клетках, что позволяет эффективно проводить гормонотерапию. Например, при наличии рецепторов к эстрогенам применяются антиэстрогены (арамитекс) в менопаузе, в молодом возрасте – кастрация.

При применении эстрогенов в качестве средства борьбы с менопаузой – резко увеличилось число больных с раком молочной железы.