Классы действия гормонов и домены гормонального контроля

Эволюция механизмов гормонального контроля в многоклеточных организмах обусловила развитие двух четко определенных регу­ляторных систем, интегрирующих функции клеток-мишеней эн­докринных воздействий (рис. 4—1). Более широко распростра­нена система, контролируемая стероидными гормонами, которые регулируют ферменты, определяющие метаболическую и секретор­ную активность огромного числа периферических тканей. Эти от­носительно неполярные и гидрофобные гормоны секретируются надпочечниками и половыми железами и разносятся кровью в связанном с белками плазмы виде, чтобы сохранять эффективную концентрацию свободного стероида во внеклеточной жидкости. Свободные стероиды, по-видимому, диффундируют во все клетки, но оказывают свое метаболическое действие только на ткани-ми­шени, обладающие специфическими внутриклеточными связываю­щими белками. Эти внутриклеточные рецепторы в свою очередь опосредуют влияние стероида на ядерные процессы, определяю­щие синтез белка. В некоторых клетках эффекты стероидов про­являются синтезом регуляторных ферментов, контролирующих метаболические реакции, что подтверждается действием кортико­стероидов на углеводный и белковый обмен. В других, более спе­циализированных, тканях стероиды ответственны за клеточную дифференцировку и образование специфических белков, высво­бождаемых в кровь или утилизируемых местно для вторичных процессов, что наблюдается в репродуктивных тканях, находя­щихся под контролем половых стероидов. Как правило, стероиды надпочечников индуцируют образование ферментов, контролиру­ющих внутриклеточные метаболические функции, тогда как по­ловые стероиды стимулируют также синтез белков, секретируемых клеткой-мишенью и участвующих в механизме размножения. Эти две крайности значительно перекрываются, и многие эффекты по­ловых стероидов оказываются связанными с регуляцией внутри­клеточных метаболических процессов в периферических тканях-мишенях. Анализ действия половых стероидов, таких, как эстра­диол и прогестерон, на синтез белков яйцеводов, в том числе на овальбумин и авидин, привел к существенному прогрессу в по­нимании молекулярной биологии эффектов стероидных гормо­нов.

Свойства и действия тиреоидных гормонов во многих отноше­ниях аналогичны таковым стероидов, несмотря на их очевидное сходство с пептидными гормонами и аминокислотными трансмит­терами. Тиреоидные гормоны, например, обладают липофильными свойствами, что более характерно для стероидов, чем для пептид­ных гормонов с их гидрофильной природой. Подобно этому, тиреоидные гормоны в крови в основном связаны со специфическими белками плазмы и диффундируют в свои клетки-мишени через небольшой пул свободного внеклеточного гормона. Тиреоидные гор­моны также действуют путем связывания с внутриклеточными рецепторами и, подобно стероидам, оказывают в основном свое действие путем регуляции ядерных процессов, что приводит к изменению биосинтетической и метаболической активности клет­ки-мишени [2].

В отличие от преимущественно ядерных эффектов стероидных и тиреоидных гормонов, действие пептидных гормонов опосредо­вано рецепторами клеточной поверхности, регулирующими фер­ментные системы плазматической мембраны и цитоплазмы. Это справедливо и в отношении простых трансмиттерных молекул, таких, как катехоламины и ацетилхолин, и в отношении многих пептидных, белковых и гликопротеиновых гормонов. Такие мо­лекулы взаимодействуют со специальными участками плазмати­ческой мембраны, которые распознают и связывают регулятор­ные лиганды [3]. Специфическое связывание с этими рецептора­ми клеточной поверхности изменяет активность связанных с мембраной эффекторных ферментов, которые, контролируя мемб­ранные и/или цитоплазматические процессы, опосредуют тем са­мым острые и долговременные изменения функции клетки-мишени. В некоторых тканях-мишенях, таких, как зависимые от ги­пофиза периферические эндокринные органы (надпочечники, щитовидная и половые железы), от действия пептидных гормо­нов зависит сохранение клеточной дифференцировки и функции. В этом смысле, тропные гормоны гипофиза (АКТГ, ТТГ, ФСГ) обладают некоторым функциональным сходством с половыми сте­роидами, поддерживающими дифференцированное состояние и секреторную активность гормонзависимых клеток-мишеней. Дру­гие пептидные гормоны, такие, как инсулин, пролактин и СТГ, по своей функции больше напоминают стероидные гормоны над­почечников, так как вызывают быстрые и долговременные изме­нения метаболических процессов, а не обеспечивают дифферен­цировку клеток-мишеней.

Приведенные обобщения относительно метаболических эффек­тов стероидных, тиреоидных и пептидных гормонов, удобны для широкой функциональной классификации гормональных эффек­тов, но не следует упускать из виду областей перекрывания био­химических функций этих разных классов лигандов. По существу гормоны представляют собой циркулирующие «сигналы» или ин­формационные посылки, которые, будучи узнанными и связан­ными соответствующими поверхностными или внутриклеточными рецепторами, вызывают запрограммированные реакции своих кле­ток-мишеней. Проводить общее различие между стероидными и тиреоидными гормонами, с одной стороны, и пептидными гормо­нами, с другой, как регуляторами «ядерных» и «цитоплазмати­ческих» процессов соответственно удобно для дифференцирова­ния крайних особенностей действия этих лигандов. В то же время известно, что стероидные и тиреоидные гормоны оказывают и вне-ядерное действие, а некоторые пептидные гормоны влияют, по-ви­димому, и на экспрессию генов. В связи с этим с позиций спо­собности регулировать метаболическую активность клетки и вы­зывать функциональные реакции на стимуляцию, два общих класса гормонов не имеют абсолютных различий.

 

РЕЦЕПТОРЫ ПЕПТИДНЫХ ГОРМОНОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Пептидные гормоны и молекулы трансмиттеров оказывают свое действие на клетки-мишени, связываясь прежде всего со специ­фическими, обладающими высоким сродством, рецепторными участками на плазматической мембране. Существование таких ре­цепторов обнаружено прямыми исследованиями по связыванию радиоактивных лигандов в огромном числе клеток-мишеней пеп­тидных гормонов и нейротрансмиттеров. В некоторых тканях на­сыщенность специфических связывающих мест меченым гормо­ном коррелирует с активацией характерных для клеток-мишеней реакций, что указывает на биологическую значимость таких мест в качестве рецепторов гормонов. В других тканях пептидные ре­цепторы идентифицированы условно только по высокому сродству и специфичности связывания биологически активных форм гормональных гомологов. Применение конкурентных антагонистов (если они существуют), блокирующих как связывание гормона, так и последующую реакцию клетки-мишени, позволило получить дополнительные доказательства биологической значимости нескольких гормональных рецепторов. Некоторые рецепторные места, например для ацетилхолина и катехоламинов, охаракте­ризованы с помощью меченых антагонистов. Относительно низ­кое сродство ацетилхолиновых рецепторов к холинергическим ли­гандам или низкая концентрация специфических b-адренергиче­ских мест на клетках-мишенях создают трудности для характеристики этих рецепторов путем исследований с примене­нием меченых агонистов.

 

 

Рис. 4—2. Концепция, предложенная Sutherland, согласно которой гормону отводят роль первого медиатора, а цАМФ (или другим веществам) — вто­рого (внутриклеточного) медиатора, с помощью которого осуществляется действие пептидных гормонов (Sutherland, Robison [4] в модификации).

 

Мнение о клеточной мембране как о месте действия пептид­ных гормонов сформировалось на основании наблюдений Suther­land, согласно которым взаимодействие катехоламинов с плазма­тической мембраной эритроцитов голубя приводит к активации аденилатциклазы [4]. После этого было показано, что многие пеп­тидные гормоны связываются с рецепторами плазматической мембраны и влияют на локализованную в ней активность, такие, как аденилатциклаза или механизмы ионного транспорта (рис. 4—2). О поверхностной локализации рецепторов пептидных гормонов свидетельствует и тот факт, что кратковременное воз­действие гормона вызывает длительную реакцию клеток-мишеней, которую можно отнести за счет связанного гормона, а также спо­собность специфических антисывороток быстро прекращать дей­ствие пептидных гормонов in vitro. Известно также, что ферменты или другие агенты, влияющие на мембранные белки и липиды, модифицируют или ликвидируют способность пептидных гормонов стимулировать аденилатциклазу. Наиболее веские доказательства локализации рецепторов пептидных гормонов на плазматической мембране были получены в авторадиографических исследованиях и прямых опытах по связыванию меченых биологически активных гормонов с препаратами мембран или интактными клетками. Эти подходы позволили точно выяснить локализацию и параметры связывания клеточных рецепторных участков, а также их функ­циональную связь с реакциями клетки-мишени.

Способность пептидных гормонов взаимодействовать с клет­ками-мишенями (или наоборот) должна зависеть от присутствия специфических участков связывания на плазматической мембране (рецепторов), которые извлекают несущие информацию молекулы из внеклеточной жидкости. Так, «осведомленность» клеток пуч­ковой зоны коры надпочечников в отношении гипофизарных ре­гулирующих влияний определяется концентрацией и профилем секреции АКТГ, поступающего к надпочечным железам. Чрез­вычайно низкие концентрации (около 10~¹⁰ M) гипофизарных гормонов в крови при миллионнократном избытке других белков требуют, чтобы рецепторы клеток-мишеней обладали как высокой специфичностью (позволяющей узнавать гормон), так и высоким сродством к гормону (позволяющим связывать его при низкой концентрации). Хорошо изученный класс рецепторов для «тради­ционных» пептидных гормонов (таких, как тропные пептиды ги­пофиза и гормоны желудочно-кишечного тракта) пополнился ана­логичными участками для местных и дистантных трансмиттерных молекул (таких, как ацетилхолин, катехоламины и простаглан­дины), а позднее и для группы, состоящей примерно из 20 нейропептидов (как ранее известных, так и недавно обнаруженных), которые регулируют, по-видимому, функцию периферической и центральной нервной системы. Это огромное число «пептидных» гормонов характеризуется высоким зарядом и относительной гидрофильностью, отсутствием значительного связывания с белками плазмы и способностью связываться со специфическими распо­знающими участками на открытой области рецепторных молекул. встроенных в плазматическую мембрану клеток-мишеней.

Считают, что другая специализированная область внутренней, ассоциированной с мембраной, части рецепторов пептидных гор­монов взаимодействует с внутримембранной частью эффекторных молекул или ферментов, таких, как аденилатциклаза, чей ката­литический домен доступен с внутренней, цитоплазматической, поверхности клеточной мембраны. Хотя в настоящее время из­вестно, что многие пептидные гормоны после связывания с по­верхностными рецепторами все же проникают в клетку, первона­чальное взаимодействие с наружной поверхностью плазматической мембраны является необходимым условием стимуляции реакций клеток-мишеней, поскольку внутриклеточное введение пептидных гормонов не вызывает характерных реакций таких клеток. За связыванием гормона с поверхностным рецептором наступает активация одной или более мембранных эффекторных систем, определяющая изменения в механизмах транспорта и распреде­ления ионов, а также активацию цитоплазматических процессов, которые регулируют функцию клетки-мишени. Многие из этих этапов активации включают, по-видимому, фосфорилирование мембранных или цитоплазматических белков, что приводит к из­менению ферментативных функций, ответственных за транспорт пли метаболизм молекул, играющих важную роль в клеточной активности. Главным мембранным ферментом, регулируемым пеп­тидными гормонами, является аденилатциклаза, катализирующая образование цАМФ, необходимого для процессов фосфорилирова­ния, возникающих при стимуляции клетки-мишени. К другим мембранным ферментам, на активность которых влияет гормон-рецепторное взаимодействие, относятся ферменты, участвующие в кругообороте инозитола, метилтрансферазы, принимающие уча­стие в метилировании фосфолипидов, а также фосфолипазы, от­ветственные за деацилирование мембранных фосфолипидов. По­следний процесс служит источником образования предшественни­ков (таких, как арахидоновая кислота) простагландинов, тромбо­ксанов, простациклинов и других активных метаболитов. На­блюдались также гормональные влияния на Na+, К+-зависимую АТФазу, связанную с мембраной протеинкиназу и катехол-О-метилтрансферазу. Таким образом, на уровне плазматической мемб­раны гормоны индуцируют множество процессов, участвующих в интегрированных реакциях клеток-мишеней на активацию рецеп­торов гомологичным лигандом.