Субклеточная локализация этапов биосинтеза

Исследование ультраструктуры клеток паренхимы коры надпочеч­ников млекопитающих выявило три четкие особенности, свойст­венные этому органу и некоторым другим стероидпродуцирующим клеткам, таким, как интерстициальные клетки яичников и семен­ников (рис. 3—18) [39]. Этими особенностями являются: 1—при­сутствие широкой сети гладкого эндоплазматического ретикулума без прикрепленных к нему рибосом и практически отсутствие ШЭР; 2 — присутствие большого количества липидных капель; 3 — присутствие высокоспециализированных и характерных ми­тохондрий, структурно отличающихся от митохондрий других клеток тем, что они содержат трубчатые, пальцевидные инвагинации в складках внутренней мембраны (кристах) (рис. 3—19) Эти ультраструктурные особенности соответствуют особенностям биосинтеза стероидных гормонов в клетках коры надпочечников. Ферментативные этапы биосинтеза стероидов в клетке локализу­ются внутри мембран гладкого эндоплазматического ретикулума и митохондрий. Липидные капли содержат холестерин — сырой материал для синтеза стероидов; внутри капель заключено 75% общего количества холестерина в клетке, 8% находится в глад­ком эндоплазматическом ретикулуме, а остальное—в митохонд­риях.

 

 

Рис. 3—19. Предполагаемое строение митохондрий клеток коры надпочеч­ников. Рисунки выполнены на основе электронно-микроскопической карти­ны поперечных срезов адренокортикальных клеток (см. рис. 3—186) (Malamed [39]).

 

Относительная скудность рибосом отражает тот факт, что фер­менты, участвующие в отдельных реакциях биосинтеза гормонов, стабильны, не покидают клетку и обладают длительным перио­дом полужизни в клетке. Эта особенность клеток коры надпочеч­ников резко отличает их от клеток, секретирующих белковые гор­моны, и, например, от клеток мозгового слоя надпочечников, в котором ключевой фермент синтеза катехоламинов — b-гидроксилаза — секретируется из клетки. В клетках, богатых рибосо­мами и ШЭР, кругооборот белков происходит с высокой ско­ростью и соответственно требуется большая скорость синтеза белка, чтобы возместить потери его в результате секреции во внеклеточное пространство.

Исследования с фракционированием клеток и применением цитохимической идентификации отдельных процессов способст­вовали выяснению локализации ферментов биосинтеза в тех или иных субклеточных пространствах (см. рис. 3—17). Необходимо учитывать, однако, возможность получения артефактов в связи с неспецифической адсорбцией ферментов на субклеточных фрак­циях. Ионы ацетата полимеризуются в холестерин из ацетил-СоА в гладком эндоплазматическом ретикулуме. У животных некото­рых видов определенные количества холестерина поступают в клетку и пз плазмы крови. Последующие реакции протекают в митохондриях, где холестерин превращается в прегненолон. Прегненолон покидает митохондрию и вновь проникает в гладкий эндоплазматический ретикулум, в котором образуется прогесте­рон и, следуя по глюкокортикоидному пути, далее гидроксилируется в 17-м и 21-м положениях, образуя 17-окси-дезоксикортикостерон (11-дезоксикортизол). Последний этап—11-гидроксилирование — происходит в митохондриях. Образование минералокорти­коидов несколько отличается от образования глюкокортикоидов. Оба эти пути расходятся на стадиях после образования прогесте­рона. Альдостерон синтезируется за счет 21-гидроксилирования прогестерона в гладком эндоплазматическом ретикулуме, вслед за чем происходят 11-, 18-гидроксилирование и, наконец, превра­щение под действием 18-дегидрогеназы; все эти процессы проте­кают в митохондриях (см. рис. 3—17).

Тесное сопряжение ферментативных реакций, протекающих в митохондриях и гладком эндоплазматическом ретикулуме, под­тверждается ультраструктурными наблюдениями, свидетельствую­щими о близком соседстве митохондрий, эндоплазматического ре­тикулума и липидных капель. Высокая складчатость и трубчатая структура митохондриальных и ретикулярных мембран создает большую поверхность, на которой могут разворачиваться фер­ментативные процессы.

Если схема, приведенная на рис. 3—17, верна, то внутрикле­точная локализация стероидогенеза трижды перемещается из гладкого эндоплазматического ретикулума в митохондрии. Это предполагает перемещение субстратов или мембран органелл или тех и других вместе. Клеточные и молекулярные механизмы, на­правляющие эту серию внутриклеточных транслокаций, точно не известны.

Транспорт прегненолона из митохондрий в эндоплазматиче­ский ретикулум зависит не от связывания с белками цитозоля, а скорее от сильной ассоциации с какими-то молекулами в эн­доплазматическом ретикулуме. Это обеспечивает в равновесных условиях высокую концентрацию прегненолона в эндоплазмати­ческом ретикулуме по сравнению с его концентрацией в цитозоле. Такой перенос в эндоплазматический ретикулум поддерживает разницу концентраций между митохондриями и цитозолем, что, по-видимому, и обеспечивает постоянную диффузию из митохон­дрий.

Очертить морфологию пути секреции стероидных гормонов в клетках коры надпочечников не представляется возможным. Не удается точно идентифицировать дискретные секреторные гра­нулы или пузырьки. Одной из причин отсутствия сведений по этому вопросу является накопление лишь очень малого количест­ва стероидных гормонов перед их выделением из железы. Мор­фологическое следствие такого отсутствия отложения гормонов заключается в том, что в клетках коры надпочечников присутствует, вероятно, очень мало органелл (гранул, пузырьков), в ко­торых обычно хранятся внутриклеточные запасы веществ. Воз­можно, однако, что какая-то часть липидных капель, в избытке присутствующих в клетке, содержит стероидные гормоны, высво­бождающиеся из клетки путем экзоцитоза.

РЕГУЛЯЦИЯ СЕКРЕЦИИ

Регуляция функции коры надпочечников будет рассмотрена на примере некоторых сторон контроля за секрецией и синтезом кор­тизола.

Наиболее важным, если не единственным, физиологическим регулятором продукции кортизола является. АКТГ [40, 41]. Дли­тельное повышение уровня АКТГ в крови, наблюдаемое при неко­торых опухолях гипофиза или других, не гипофизарных, опухо­лях с эктопической продукцией АКТГ, сопровождается гипер­плазией надпочечников и гиперкортицизмом. Напротив, гппофизэктомия приводит к атрофии надпочечников, особенно пучковой и сетчатой зон. Синтез и секреция АКТГ в свою оче­редь регулируются уровнем кортизола в крови путем замыкания ингибиторной петли обратной связи непосредственно на аденогипофизе. Полагают, что кортизол может действовать также на гипоталамические и другие мозговые центры, регулируя продук­цию кортикотропин-рилизинг фактора, но убедительных доказа­тельств существования такого регуляторного пути пока не полу­чено. Несомненно, однако, что влияние ЦНС является важной детерминантой высвобождения АКТГ. Разнообразные стрессы, та­кие, как гипогликемия, тяжелая травма и болезни, а также эмо­циональные стрессы, стимулируют секрецию АКТГ, несмотря на присутствие в крови таких уровней кортизола, которые в норме оказывают ингибиторное действие. Основной регулятор секреции АКТГ и, следовательно, продукции кортизола, по всей вероятно­сти, действительно образуется в головном мозге. Уже много лет известно, что секреция АКТГ и кортизола обнаруживает суточные ритмы, определяемые «биологическими часами», расположенными в головном мозге и подчиняющимися конкретным циклам свет — темнота и/или бодрствование — сон [42, 43]. У здоровых людей, бодрствующих днем и спящих ночью, максимальная скорость секреции приходится на период между полуночью и рассветом, а минимальная регистрируется после полудня и ранним вечером. Примерно 80—90% общей суточной секреции кортизола приходится на период между 4 и 6 ч утра. В интервале между этими периодами железа остается в спокойном состоянии. Подробные исследования характера секреции у здоровых людей, проводимые путем анализа проб крови, отбираемых в течение 24 ч с частыми интервалами, обнаружили существование нерегулярных выбросов

АКТГ и кортизола, разделенных промежутками полного отсутст­вия секреции [44]. Такая эпизодическая секреция, по-видимому, вообще характерна для гормонов передней доли гипофиза, по­скольку СТГ, пролактин, ЛГ и ФСГ также секретируются «вспышками». Причины и физиологическая значимость такого нерегулярного характера секреции не известны. Эта нерегуляр­ность не определяется соответствующими колебаниями уровня со­держания в крови тех или иных гормонов, продукция которых контролируется гипофизарными гормонами, но накладывается на гораздо более широкие во времени колебания, реципрокно свя­занные с уровнем в крови продуктов, выделяемых органами-ми­шенями.

Влияние АКТГ на секрецию кортизола надпочечниками про­является быстро [41]. Повышение уровня кортизола в крови от­мечается уже в пределах 2—3 мин после введения АКТГ чело­веку или экспериментальному животному. Поскольку клетки ко­ры надпочечников содержат мало депонированного кортизола, эти быстрые эффекты АКТГ предполагают повышение скорости био­синтеза стероидов, а не ускорение секреции уже готового гормо­на. Такое быстрое действие должно сказываться на реакциях, происходящих до гидроксилирования и отщепления боковой цепи холестерина или во время этих процессов и обусловливающих образование прегненолона, поскольку именно этот этап иденти­фицирован в качестве скорость ограничивающего в процессе био­синтеза стероидов.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ АКТГ

Считают, что в клеточных механизмах, с помощью которых АКТГ влияет на высвобождение и синтез кортизола и других стероид­ных гормонов коры надпочечников, участвует активация связан­ной с клеточной мембраной аденилатциклазы, подобно тому, что наблюдается при активации секреторных и клеточных процессов во многих других тканях [41]. АКТГ специфически и с высоким сродством связывается с рецепторами, расположенными на плаз­матической мембране клеток коры надпочечников, что приводит к активации аденилатциклазы и образованию цАМФ. Последую­щие молекулярные реакции менее выяснены, но, по всей вероят­ности, цАМФ обусловливает фосфорилирование одной или более протеинкиназ, тем самым переводя их из неактивных комплексов в форму активных каталитических субъединиц, которые в свою очередь фосфорилируют и, следовательно, активируют ферменты, принимающие участие в процессах биосинтеза стероидов. Точная природа последних стадий в серии происходящих реакций не из­вестна, и модели, изображающие эти реакции, в настоящее время следует считать лишь предположительными. Одна такая модель представлена на рис. 3—20. Эта схема предусматривает возмож­ность двух, не противоречащих имеющимся сведениям, реакций, с помощью которых фосфорилированные протеинкиназы контролируют (активируют) ранние стадии синтеза стероидов. Одна из них предполагает повышение внутримитохондриального связыва­ния холестерина и цитохрома Р-450, что является важным этапом ферментативного гидроксилирования и отщепления боковой цепи холестерина с образованием прегненолона вследствие активации гипотетического лабильного интермедиата (холестерин-Р-450).

Другой реакцией, которая могла бы контролироваться акти­вированной протеинкиназой, является фосфорилирование и по­следующая активация цитоплазматического фермента холестеринэстеразы, которая расщепляет эфир холестерина с образованием свободного холестерина. Эти предполагаемые объекты действия протеинкиназ соответствуют данным, полученным при кинетиче­ском анализе скорости реакций на различных стадиях биосинтеза стероидов и показавшим, что скорость ограничивающим этапом яв­ляется превращение холестерина в прегненолон.

 

 

Рис. 3—20. Предполагаемый механизм действия АКТГ на клетку коры надпочечника. Согласно этой модели, АКТГ не проникает в клет­ку, а стимулирует продукцию второго медиатора—цАМФ—путем актива­ции связанной с рецептором аденилатциклазы в плазматической мембране. Холестерин может образовываться в гладких микросомах до проникнове­ния в липидные капли (см. рис. 3—19) (Simpson E.R. и соавт., J. Biol. Chem., 1978, 235, 3135),