Хидрофилните хормони не са в състояние да проникнат през клетъчната мембрана и следователно предаването на сигнала се осъществява чрез мембранни рецепторни протеини.

Има три вида от тези рецептори.

Първият тип са протеини, които имат една трансмембранна полипептидна верига.

С рецептори от този тип са свързани хормони като соматотропен хормон, пролактин, инсулин и редица хормоноподобни вещества - растежни фактори. Когато хормон се комбинира с рецептор от този тип, настъпва фосфорилиране на цитоплазмената част на този рецептор, което води до активиране на междинни протеини (пратеници), които имат ензимна активност. Това свойство позволява на пратеника да проникне в клетъчното ядро ​​и там да активира ядрени протеини, участващи в транскрипцията на съответните гени и иРНК. В крайна сметка клетката започва да синтезира специфични протеини, които променят нейния метаболизъм. Диаграма, илюстрираща този механизъм, е представена на фиг. 10.

Ориз. 10. Механизмът на действие на хидрофилните хормони върху целевата клетка,

имащи рецептори от първия тип

Вторият тип рецептори, които възприемат ефектите на хидрофилните хормони върху целевите клетки, са така наречените „рецептори на йонни канали“. Рецепторите от този тип са протеини, които имат четири трансмембранни фрагмента. Свързването на хормонална молекула с такъв рецептор води до отваряне на трансмембранни йонни канали, поради което електролитните йони могат да навлязат в протоплазмата на клетката по градиент на концентрация. От една страна, това може да доведе до деполяризация клетъчната мембрана(това например се случва с постсинаптичната мембрана на клетките скелетни мускулипри предаване на сигнал от нервно двигателно влакно към мускул), а от друга страна, електролитните йони (например Ca ++) могат да активират серин-тирозин кинази и поради тяхното ензимно действие върху вътреклетъчните протеини да причинят промени в клетъчен метаболизъм.

Диаграма, илюстрираща този механизъм, е представена на фиг. единадесет.

Ориз. 11. Механизмът на действие на хидрофилните хормони върху целевата клетка,

имащи рецептори от втори тип

Третият тип рецептори, които усещат ефектите на хидрофилните хормони върху таргетните клетки, се определят като „рецептори, свързани с G-протеин“ (съкратено като GPCR).

С помощта на G-рецептори се възбуждат сигнали от невротрансмитери и невротрансмитери (адреналин, норепинефрин, ацетилхолин, серотонин, хистамин и др.), Хормони и опиоиди (адренокортикотропин, соматостатин, вазопресин, ангиотензин, гонадотропин, някои растежни фактори и невропептиди). предавани на изпълнителния клетъчен апарат и др.). В допълнение, G-рецепторите осигуряват предаването на химически сигнали, възприемани от вкусовите и обонятелните рецептори.

G рецепторите, както повечето мембранни рецептори, се състоят от три части: извънклетъчна част, част от рецептора, потопена в клетъчната мембрана, и вътреклетъчна част в контакт с G протеина. В този случай интрамембранната част на рецептора е полипептидна верига, която пресича мембраната седем пъти.

Функцията на G-протеините е отваряне на йонни канали (т.е. промяна на концентрацията на електролитни йони в протоплазмата на целевите клетки) и активиране на медиаторни протеини (вътреклетъчни пратеници). В резултат на това, от една страна, се активират съответните ензимни системи на клетката (протеинкинази, протеин фосфатази, фосфолипази), а от друга, фосфорилираните протеини с мощна ензимна активност придобиват способността да проникват в клетъчното ядро ​​и там фосфорилират и активират протеини, участващи в транскрипцията на гени и иРНК. В крайна сметка клетъчният метаболизъм се променя както поради ензимни трансформации на вътреклетъчни протеини, така и поради биосинтезата на нови протеини. Диаграма, илюстрираща механизмите на взаимодействие на хормонална молекула с G-рецептора на целева клетка, е показана на фиг. 12.

Хормоните имат ефект върху целевите клетки.

Целеви клетки- това са клетки, които специфично взаимодействат с хормоните, използвайки специални рецепторни протеини. Тези рецепторни протеини са разположени върху външната мембрана на клетката, или в цитоплазмата, или върху ядрената мембрана и други органели на клетката.

Биохимични механизми на предаване на сигнал от хормон към целева клетка.

Всеки рецепторен протеин се състои от поне два домена (области), които осигуряват две функции:

разпознаване на хормони;

трансформация и предаване на получения сигнал в клетката.

Как рецепторният протеин разпознава хормоналната молекула, с която може да взаимодейства?

Един от домените на рецепторния протеин съдържа област, която е комплементарен на някаква част от сигналната молекула. Процесът на рецепторно свързване към сигнална молекула е подобен на процеса на образуване на ензим-субстратен комплекс и може да се определи от стойността на афинитетната константа.

Повечето рецептори не са достатъчно проучени, тъй като тяхното изолиране и пречистване е много трудно, а съдържанието на всеки тип рецептор в клетките е много ниско. Но е известно, че хормоните взаимодействат с техните рецептори чрез физически и химични средства. Между молекулата на хормона и рецептора се образуват електростатични и хидрофобни взаимодействия. Когато рецепторът се свърже с хормон, настъпват конформационни промени в рецепторния протеин и комплексът на сигнализиращата молекула с рецепторния протеин се активира. В активно състояние той може да предизвика специфични вътреклетъчни реакции в отговор на получен сигнал. Ако синтезът или способността на рецепторните протеини да се свързват със сигналните молекули е нарушена, възникват заболявания - ендокринни разстройства.

Има три вида такива заболявания.

Свързани с недостатъчен синтез на рецепторни протеини.

Генетични дефекти, свързани с промени в структурата на рецептора.

Свързан с блокиране на рецепторни протеини от антитела.

Механизми на действие на хормоните върху прицелните клетки.

В зависимост от структурата на хормона има два вида взаимодействие. Ако молекулата на хормона е липофилна (например стероидни хормони), тогава тя може да проникне в липидния слой на външната мембрана на целевите клетки. Ако една молекула има големи размериили е полярен, то проникването му в клетката е невъзможно. Следователно, за липофилните хормони рецепторите са разположени вътре в прицелните клетки, а за хидрофилните хормони рецепторите са разположени във външната мембрана.

За да се получи клетъчен отговор на хормонален сигнал в случай на хидрофилни молекули, работи механизъм за вътреклетъчна сигнална трансдукция. Това се случва с участието на вещества, наречени вторични посланици. Хормоналните молекули са много разнообразни по форма, но „вторичните пратеници“ не са.

Надеждността на предаването на сигнала се осигурява от много високия афинитет на хормона към неговия рецепторен протеин.

Кои са посредниците, които участват във вътреклетъчното предаване на хуморални сигнали?

Това са циклични нуклеотиди (cAMP и cGMP), инозитол трифосфат, калций-свързващ протеин - калмодулин, калциеви йони, ензими, участващи в синтеза на циклични нуклеотиди, както и протеин кинази - ензими за фосфорилиране на протеини. Всички тези вещества участват в регулирането на активността на отделните ензимни системи в целевите клетки.

Нека разгледаме по-подробно механизмите на действие на хормоните и вътреклетъчните медиатори.

Има два основни начина за предаване на сигнал към целевите клетки от сигнални молекули с мембранен механизъм на действие:

системи аденилат циклаза (или гуанилат циклаза);

фосфоинозитиден механизъм.

Аденилатциклазна система.

Главни компоненти:мембранен рецепторен протеин, G протеин, ензим аденилат циклаза, гуанозин трифосфат, протеин кинази.

В допълнение, за нормалното функциониране на аденилатциклазната система е необходим АТФ.

Рецепторният протеин G-протеин, до който се намират GTP и ензимът (аденилат циклаза), са вградени в клетъчната мембрана.

Докато хормонът действа, тези компоненти са в дисоциирано състояние и след образуването на комплекс от сигнална молекула с рецепторния протеин настъпват промени в конформацията на G протеина. В резултат на това една от G протеиновите субединици придобива способността да се свързва с GTP.

Комплексът G протеин-GTP активира аденилат циклазата. Аденилат циклазата започва активно да превръща ATP молекулите в c-AMP.

c-AMP има способността да активира специални ензими - протеин кинази, които катализират реакциите на фосфорилиране на различни протеини с участието на АТФ. В този случай остатъците от фосфорна киселина са включени в протеиновите молекули. Основният резултат от този процес на фосфорилиране е промяна в активността на фосфорилирания протеин. В различни видове клетки, протеини с различна функционална активност претърпяват фосфорилиране в резултат на активиране на аденилатциклазната система. Например, това могат да бъдат ензими, ядрени протеини, мембранни протеини. В резултат на реакцията на фосфорилиране протеините могат да станат функционално активни или неактивни.

Такива процеси ще доведат до промени в скоростта на биохимичните процеси в целевата клетка.

Активирането на аденилатциклазната система продължава много дълго кратко време, тъй като G протеинът, след като се свърже с аденилат циклазата, започва да проявява GTPase активност. След хидролиза на GTP, G протеинът възстановява своята конформация и престава да активира аденилат циклазата. В резултат на това реакцията на образуване на cAMP спира.

В допълнение към участниците в аденилатциклазната система, някои целеви клетки съдържат G протеин-свързани рецепторни протеини, които водят до инхибиране на аденилатциклазата. В този случай протеиновият комплекс GTP-G инхибира аденилатциклазата.

Когато образуването на cAMP спре, реакциите на фосфорилиране в клетката не спират незабавно: докато cAMP молекулите продължават да съществуват, процесът на активиране на протеин киназите ще продължи. За да спре действието на цАМФ, в клетките има специален ензим - фосфодиестераза, който катализира реакцията на хидролиза на 3′,5′-цикло-АМФ до АМФ.

Някои вещества, които имат инхибиторен ефект върху фосфодиестераза (например алкалоиди кофеин, теофилин), спомагат за поддържането и увеличаването на концентрацията на цикло-АМР в клетката. Под въздействието на тези вещества в организма продължителността на активиране на аденилатциклазната система се удължава, т.е. ефектът на хормона се увеличава.

В допълнение към системите аденилат циклаза или гуанилат циклаза, съществува и механизъм за предаване на информация в клетката-мишена с участието на калциеви йони и инозитол трифосфат.

Инозитол трифосфате вещество, което е производно на сложен липид - инозитол фосфатид. Образува се в резултат на действието на специален ензим - фосфолипаза "С", който се активира в резултат на конформационни промени във вътреклетъчния домен на мембранния рецепторен протеин.

Този ензим хидролизира фосфоестерната връзка в молекулата на фосфатидил-инозитол 4,5-бисфосфат, за да образува диацилглицерол и инозитол трифосфат.

Известно е, че образуването на диацилглицерол и инозитол трифосфат води до повишаване на концентрацията на йонизиран калций вътре в клетката. Това води до активиране на много калций-зависими протеини вътре в клетката, включително активиране на различни протеин кинази. И тук, както при активирането на аденилатциклазната система, един от етапите на предаване на сигнала вътре в клетката е протеиновото фосфорилиране, което води до физиологичен отговор на клетката към действието на хормона.

Специален калций-свързващ протеин, калмодулин, участва в фосфоинозитидния сигнален механизъм в таргетната клетка. Това е протеин с ниско молекулно тегло (17 kDa), 30% състоящ се от отрицателно заредени аминокиселини (Glu, Asp) и следователно способен активно да свързва Ca+2. Една молекула на калмодулин има 4 места за свързване на калций. След взаимодействие с Ca+2 настъпват конформационни промени в молекулата на калмодулина и комплексът “Ca+2-calmodulin” става способен да регулира активността (алостерично инхибира или активира) много ензими - аденилатциклаза, фосфодиестераза, Ca+2,Mg+ 2-АТФаза и различни протеин кинази.

В различни клетки, когато комплексът Са+2-калмодулин действа върху изоензими на същия ензим (например аденилат циклаза различни видове) в някои случаи се наблюдава активиране, а в други се наблюдава инхибиране на реакцията на образуване на сАМР. Тези различни ефекти възникват, защото алостеричните центрове на изоензимите могат да включват различни аминокиселинни радикали и техният отговор на действието на Са+2-калмодулиновия комплекс ще бъде различен.

По този начин ролята на „вторите пратеници“ за предаване на сигнали от хормони в целевите клетки може да бъде:

циклични нуклеотиди (c-AMP и c-GMP);

1. комплекс "Ca-калмодулин";

   диацилглицерол;

   инозитол трифосфат.

Механизмите за предаване на информация от хормони вътре в целевите клетки, използвайки изброените посредници, имат общи характеристики:

един от етапите на предаване на сигнала е протеиновото фосфорилиране;

прекратяването на активирането става в резултат на специални механизми, инициирани от самите участници в процесите - съществуват механизми за отрицателна обратна връзка.

Хормоните са основните хуморални регулаторифизиологичните функции на тялото и техните свойства, процеси на биосинтеза и механизми на действие вече са добре известни.

Начините, по които хормоните се различават от другите сигнални молекули, са както следва.

Синтезът на хормоните се извършва в специални клетки ендокринна система. В този случай синтезът на хормони е основната функция на ендокринните клетки.

Хормоните се отделят в кръвта, често във вената, понякога в лимфата. Други сигнални молекули могат да достигнат целевите клетки без секреция в циркулиращите течности.

Телекринен ефект (или далечно действие)— хормоните действат върху целевите клетки на голямо разстояние от мястото на синтеза.

Хормоните са силно специфични вещества по отношение на целевите клетки и имат много висока биологична активност.

Крайните ефекти на хормоните на клетъчно ниво могат да бъдат промени в метаболизма, пропускливостта на мембраната за различни вещества (йони, глюкоза и др.), Процесите на растеж, диференциация и клетъчно делене, контрактилна или секреторна активност и др. Изпълнението на тези ефекти започва със свързването на хормона със специфични клетъчни рецепторни протеини: мембранни или вътреклетъчни (цитоплазмени и ядрени). Ефектът на хормоните чрез мембранните рецептори се проявява сравнително бързо (в рамките на няколко минути), а чрез вътреклетъчните рецептори - бавно (от половин час или повече).

Действието чрез мембранните рецептори е характерно за протеиново-пептидните хормони и аминокиселинните производни. Тези хормони (с изключение на хормоните на щитовидната жлеза) са хидрофилни и не могат да проникнат в билипидния слой на плазмалемата. Следователно, хормоналният сигнал се предава в клетката по сравнително дълга верига, която най-общо изглежда така: хормон -> мембранен рецептор -> мембранен ензим -> вторичен посредник -> протеин киназа -> вътреклетъчни функционални протеини -> физиологичен ефект.

Съответно действието на хормона чрез мембранните рецептори се осъществява на няколко етапа:

1) взаимодействието на хормона с мембранния рецептор води до промяна в конформацията на рецептора и неговото активиране;

2) рецепторът активира (по-рядко инхибира) свързания с него мембранен ензим;

3) ензимът променя концентрацията в цитоплазмата на едно или друго нискомолекулно вещество - вторичен носител",

4) вторият пратеник активира определена цитоплазмена протеин киназа, ензим, който катализира фосфорилирането и промените във функционалните свойства на протеините;

5) протеин киназа променя активността на вътреклетъчните функционални протеини, които регулират вътреклетъчните процеси (ензими, йонни канали, контрактилни протеини и т.н.), което води до един или друг краен ефект на хормона, например ускоряване на синтеза или разграждане на гликоген , предизвикване на мускулна контракция и др.

Понастоящем са известни четири вида ензими, свързани с мембранни хормонални рецептори и пет основни вторични посредници (фиг. 1, таблица 1).

Ориз. 1. Основните системи за трансмембранно предаване на хормонални сигнали.

Обозначения: G - хормони; R - мембранни рецептори; G - G протеини; F - тирозин-

киназа; GC - гуанилат циклаза; A C ~ аденилат циклаза; F.P S - фосфолипаза С; fl - мембранни фосфолипиди; ITP - инозитол трифосфат, D AT - диацилглицерол; ER - ендоплазмен ретикулум; PC - различни протеин кинази.

маса 1

Мембранни ензими и вторични посредници, които медиират действието на хормоните чрез мембранни рецептори

В зависимост от това как се осъществява връзката между рецептора и мембранния ензим се разграничават два вида рецептори: 1) каталитични рецептори; 2) рецептори, свързани с G протеини.

Каталитични рецептори: рецепторът и ензимът са директно свързани (може да бъде една молекула с две функционални места). Мембранните ензими за тези рецептори могат да бъдат:

Тирозин киназа (вид протеин киназа); действието на хормоните чрез тирозин киназните рецептори не изисква непременно наличието на вторични посредници;

Гуанилат циклаза - катализира образуването на втория посредник цикличен GMP (cGMP) от GTP.

G протеин-свързани рецептори: сигналът от рецепторната молекула първо се предава към специален мембранен G protein1, който след това активира или инхибира специфичен мембранен ензим, който може да бъде:

Аденилат циклаза - катализира образуването на втория посредник цикличен АМФ (сАМР) от АТФ;

Фосфолипаза С - катализира образуването на два вторични посредника от мембранни фосфолипиди: инозитол трифосфат (ITP) и диацилглицерол (DAG). DAG стимулира протеин киназата и също така е прекурсор на простагландини и подобни биологично активни вещества. Основният ефект на ИТП е да повиши съдържанието в цитоплазмата на друг вторичен носител - Ca 2+ йони, които навлизат в цитозола през йонните канали на плазмената мембрана (от извънклетъчната среда) или вътреклетъчните Ca 2+ депа (ендоплазмен ретикулум и митохондриите). Са2+ йоните осъществяват своите физиологични ефекти, като правило, в комбинация с протеина калмодулин.

Действието чрез вътреклетъчни рецептори е характерно за стероидните и тиреоидните хормони, които поради своята липидна разтворимост могат да проникнат през клетъчните мембрани в клетката и нейното ядро ​​(фиг. 2).

Взаимодействайки с ядрените рецептори, тези хормони влияят върху процесите на клетъчно делене и внедряването на генетична информация (генна експресия), по-специално регулират скоростта на биосинтеза на функционални клетъчни протеини - ензими, рецептори, пептидни хормони и др.

В резултат на действието на хормоните върху цитоплазмените рецептори, активността на клетъчните органели се променя, например, интензивността на биологичното окисление в митохондриите или протеиновия синтез в рибозомите.

В комбинация с цитоплазмените рецептори, хормоните могат да проникнат в ядрото, действайки по същия начин, както чрез ядрените рецептори.

Фиг.2. Механизми на вътреклетъчното действие на хормоните.

Обозначения: G - хормони; Rh - ядрени рецептори; Rif - цитоплазмени рецептори.

Стероидните хормони са относително прости органични съединенияс ниско молекулно тегло. Сега се знае повече за техния механизъм на действие, отколкото за действието на други хормони. Скелетът на стероидните хормони се формира от четири въглеводородни пръстена и цялото разнообразие се постига благодарение на страничните групи - метил, хидроксил и др. Въпреки че сега са известни десетки стероидни хормони и техните активни аналози, общ бройТези съединения, които по принцип могат да съществуват, не надвишават двеста. Това число при гръбначните обаче включва хормони със съвсем различно действие - мъжки полови хормони (андростерони), женски полови хормони (естрогени), както и неполови стероидни хормони на надбъбречните жлези - кортикостероиди.

Половите стероидни хормони при гръбначните животни се синтезират в половите жлези и синтезът им се стимулира гонадотропни хормонихипофизната жлеза В ларви на насекоми стероиден хормонлинеене - екдизон (екдистерон) се синтезира от параторакалните жлези.

Добър модел на действието на женските полови стероидни хормони (например естрадиол) е синтезът на жълтъчния протеин на ооцитите - вителогенин в черния дроб на пилета или овалбумин в яйцепровода на пилета. Петлите или мъжките жаби често се използват за изследване на началото на синтеза на вителогенин. Те обикновено нямат естрогени, вителогенинът не се синтезира и генът, който го кодира, очевидно е напълно неактивен. Въпреки това, когато се прилага естрадиол, синтезът на този протеин започва в черния дроб на мъжете. В допълнение към гените на вителогенин се активира и транскрипцията на рибозомната РНК и образуването на нови рибозоми, докато активността на други гени намалява. Вителогенинът се синтезира интензивно върху нова иРНК и нови рибозоми и бързо се освобождава в кръвния поток. Въпреки това, тъй като мъжете нямат яйцеклетки, този протеин дълго времеостава в кръвната плазма.

Приложението на естрадиол при млади кокошки и дори пилета стимулира диференциацията на клетките в техните яйцепроводи. Някои от епителните клетки на яйцепровода под въздействието на естрадиола се диференцират в жлезисти клетки, в които се активират овалбуминови гени. След няколко дни започва самият синтез на овалбумин.

IN слюнчените жлезиЛарви на Drosophila или комар Chironomus (нейните ларви са кървави червеи, жива храна за аквариумни риби), ефектът на стероидния хормон на линеене, екдизон, върху генната активност може да се види директно под микроскоп. Политеновите хромозоми са много по-дълги и по-дебели от обикновено, а техните активни гени изглеждат като удебеляване на хромозомата. Наричат ​​се пуфове. Още 5-10 минути след прилагането на екдизон към ларвите може да се види появата на няколко нови впръсквания (един в Chironomus, два в Drosophila). Но само след няколко часа те развиват няколко десетки нови издувания, чийто външен вид е характерен за ларва, която е влязла в метаморфоза. Може да се предположи, че резултатът са първите пуфове пряко действиеекдизон. Наскоро, когато беше приложен радиоактивен екдизон, беше показано, че той се концентрира в първите активирани впръсквания. По-късното активиране на останалите гени вече не изисква прякото влияние на екдизона и вероятно се регулира от онези гени, които се активират от екдизона в първите минути. Механизмът на влиянието "ген върху ген" все още е практически неизвестен, въпреки че подобни влияния се вписват добре в много схеми за генно регулиране. Инхибиторите на синтеза на РНК потискат включването на втория ред нови впръсквания, но не предотвратяват появата на първите впръсквания.

Механизмите на действие на стероидните хормони вече са добре проучени. Тези хормони влизат в клетките. В цитоплазмата на таргетните клетки има специфичен рецепторен протеин, който "разпознава" хормона, за който клетката е компетентна, свързва се с него и образува хормон-рецепторен комплекс. Такива комплекси мигрират в ядрото и се свързват, както се очаква, с онези региони на хромозомите, където се намират гените, които хормонът активира в тези клетки. Същият стероиден хормон в различни видовеклетки активира различни гени, например, естрадиолът активира вителогенин гени в черния дроб и овалбумин гени в яйцепровода. Следователно, тези клетки трябва да се различават или по своите рецептори, или по състоянието на техните хромозоми. Преобладаващото мнение сега е, че рецепторите в различните видове клетки са еднакви. Ако това е така, тогава хромозомите са различни. Предполага се, че в ядрата на таргетните клетки върху съответните гени има специални протеини - акцептори, с които комплексът хормон-рецептор може да се свърже и по някакъв (все още неясен) начин да активира този ген.