Передача гормонального сигнала через мембрану

Гормоны – сигнальные вещества, образующиеся в клетках эндокринных желез. После синтеза гормоны поступают в кровь и переносятся к органам-мишеням, где выполняют определенные регуляторные функции. Границы между гормонами и другими сигнальными веществами, такими, как медиаторы, нейромедиаторы и ростовые факторы, довольно условны. Часто эти сигнальные вещества имеют общие закономерности биосинтеза, метаболизма и механизма действия.

В органах-мишенях имеются клетки, несущие рецепторы, способные связывать гормоны и тем самым воспринимать гормональный сигнал. После связывания гормонов рецепторы передают информацию клетке и запускают цепь биохимических реакций, определяющих клеточный ответ на действие гормона.

Существуют два основных механизма трансдукции гормонального сигнала в клетку. В первом случае гидрофобный гормон (стероидный, иодтиронин, активированные витамины А и D) проника[A62] -ет через плазматическую мембрану в цитозоль, а затем и в ядро (последнему, очевидно, способствуют растворимые цитозольные белки-рецепторы). Во втором случае гормон-рецепторный комплекс образуется на наружной поверхности плазматической мембраны. Это вызывает либо быстрое открытие ионного канала и вход ионов в клетку и в результате нервный импульс, либо включение систем вторичных посредников, приводящее к более медленным изменениям метаболизма и функций клеток. Эти механизмы могут приводить к отсроченным эффектам – изменениям процессов, которые регулируются ядром клетки.

Липофильные гормоны проникают в клетку, а затем поступают в ядро. Гидрофильные гормоны оказывают действие на уровне клеточной мембраны. Таким образом, подразделение гормонов на липофильные и гидрофильные имеет определенный биохимический смысл, поскольку оно отражает различные принципы действия этих биорегуляторов.

Четыре основные и наиболее изученные системы передачи гормонального сигнала в цитозоль представлены на рис. 65. Многие гормоны (амины, пептиды, белки, простагландины I и Е), а также сигналы осязания и обоняния действуют через систему цАМФ.

Образование гормон-рецепторного комплекса через G-белки активирует или ингибирует аденилилциклазу, которая из АТФ образует цАМФ. Этот вторичный посредник вызывает диссоциацию зависимой от него ПК А на регуляторную и каталитическую субъединицы. В результате последняя активируется и фосфорилирует многочисленные белки-мишени. Это увеличивает, например, распад гликогена и жира, синтез катехоламинов и глюкокортикоидов, сокращения сердечной мышцы и расслабление гладких мышц.

цАМФ часто рассматривают как сигнал голода и стресса. Многие гормоны (амины, пептиды, белки, простагландины F и тромбоксаны) через G-белок включают систему фосфолипаз С, которые из фосфатидилинозитидов образуют два вторичных посредника: инозитолтрисфосфат и диацилглицерол, а из фосфатидилхолина – только один (последний). Инозитолтрифосфат увеличивает в цитозоле концентрацию ионизированного кальция[A63].

Рис. 69. Передача гормонального сигнала в митохондрии

Комплекс Са2+ с его рецептором кальмодулином активирует многие цитозольные ферменты либо прямо, либо через соответствующую протеинкиназу.

Тирозинкиназы (ТК) – это ПК, фосфорилирующие в белках остатки тирозина (а не серина или треонина, как другие ПК). Эта система включается в действие факторов роста клеток (ФРК), цитокинов и инсулина, опосредуя большинство его цитозольных эффектов. Образование гормон-рецепторного комплекса, а также специфические антигены активируют ТК, вследствие чего они фосфорилируют различные белки-мишени.

В каждой клетке существует комплекс сигнал-трансдукторных систем, преобразующих все внешние сигналы во внутриклеточные, а затем трансформирующие эти сигналы во внутриклеточные функции.

В ядро сигнал обычно передается путем транслокации в него цитозольной протеинкиназы или активированного транскрипционного фактора (фосфорилированного ею или освобожденного из комплекса с другим белком). В митохондрии сигнал передается[A64] иначе – путем транслокации из цитозоля вторичных посредников: Са2+ или цАМФ.

Механизмы передачи информации в органеллах отличаются от цитозольных механизмов, но они обеспечивают столь же эффективный контроль гормонами ядерных и митохондриальных процессов. Схема передачи гормонального сигнала в митохондрии представлена на рис. 69. Регуляция осуществляется двумя группами гормонов: Са2+-мобилизующими (катехоламины через α1-рецепторы, вазопрессин, ангиотензин) и цАМФ-зависимыми (глюкагон и катехоламины через β-рецепторы). Общее для обоих механизмов – первичный регуляторный сигнал в клетке возникает в рецепторах плазматической мембраны и затем трансформируется в увеличение цитозольной концентрации вторичных посредников – Са²⁺ и/или цАМФ. Их влияние на митохондрии является вторичным – в результате воздействия на наружную сторону внутренней мембраны митохондрии или проникновения через нее в матрикс (внутренняя растворимая часть митохондрии).

Конкретные механизмы этих процессов различны. Для Са2+ существует постоянный обмен через внутреннюю мембрану митохондрии: вход в матрикс за счет энергии мембранного потенциала (в направлении электрохимического градиента) и выход в цитоплазму в обмен на Na+ или Н+ за счет энергии, связанной с потенциалом ∆µН. Расход энергии на этот процесс вполне оправдан, так(в направлении электрохимического градиента) и выход в цитоплазму в обмен на Na+ или Н+ за счет энергии, связанной с потенциалом ∆µН. Расход энергии на этот процесс вполне оправдан, так как является основой для кальциевой регуляции функций митохондрии. Кроме того, Са²⁺ активирует, как минимум, один фермент наружной стороны внутренней мембраны митохондрии (глицерофосфатдегидрогеназу).

цАМФ взаимодействует с рецепторным белком внутренней мембраны митохондрии, что, очевидно, и приводит к активации их функций. Кроме того, цАМФ проникает во все компартменты митохондрии, где обнаруживается ПК А, хотя ее роль в функций митохондрии еще не вполне ясна. В результате описанных процессов цитозольный сигнал – увеличение концентрации Са²⁺ и/или цАМФ – трансформируется в митохондриальный, что и вызывает множественные изменения функций этих субклеточных частиц[A65].

Необходимо обратить внимание на две важные особенности: 1) ионы Са²⁺ действуют не только через специализированные рецепторные белки типа кальмодулина, но прямо на многочисленные митохондриальные белки, обладающие чувствительностью к кальцию; 2) эффекты цАМФ могут реализовываться не только через ПК А, но и путем связывания с белками внешней стороны внутренней мембраны митохондрии, что изменяет ее свойства и в результате приводит к изменениям функций митохондрии. Это существенно отличается от классических представлений, характерных для цитозоля эукариот. В то же время, у прокариот для этих вторичных посредников нет обычных рецепторных белков (кальмодулина и ПК А), и цАМФ действует на них через внутриклеточный цАМФ-рецепторный белок.

В каждой клетке функционирует специальная биохимическая надстройка, регулирующая чувствительность клеток к сигналу.

Проиллюстрируем ее на примере рецептора, сопряженного с G-белками. Обычно уровень сигналов, действующих через систему трансмембранной сигнализации (к их числу помимо названных выше относятся простагландины, гормоны гипофиза, ангиотензин II, брадикинин, вазопрессин, окситоцин, гистамин, дофамин, энкефалин, эндорфин, серотонин, эндотелии, холецистокинин, гастрин, паратироидный гормон), повышается на несколько минут. Этоговремени достаточно, чтобы произошло образование нужного количества вторичных посредников (цАМФ, Са2+, диацилглицерола), которые вызовут активацию соответствующих протеинкиназ и последующее за этим фосфорилирование белков-мишеней. Если же уровень сигнала сохраняется повышенным в течение десятков минут или даже часов (из-за гиперфункции эндокринной железы или фармакологического вмешательства), то происходит десенсибилизация соответствующего рецептора. Мембранные протеинкиназы, присутствующие в плазматической мембране практически всех клеток, фосфорилируют рецептор, десенсибилизируя его к присутствию лиганда. Такие киназы могут фосфорилировать только гормон-рецепторный комплекс, поэтому чем дольше гормон связан с рецептором, тем больше вероятность того, что рецептор будет уз[A66] нан и помечен киназой. Если такое фосфорилирование не в состоянии погасить гормональный сигнал, то спустя 15–30 мин происходит фосфорилирование рецептора второй протеинкиназой, которая активируется соответствующим вторичным посредником (например, в случае β-адренергических рецепторов, активирующих аденилатциклазу, – цАМФ-зависимой протеинкиназой; в случае α1-адренергических или М₁ и М₃‑холинергических рецепторов, активирующих фосфолипазу С, – протеинкиназой С). Вторичное фосфорилирование рецепторов нарушает их связь с G-белками, вследствие чего влияние гормонов ослабляется,. Если высокий уровень гормона сохраняется в течение нескольких часов, и перечисленные выше механизмы десенсибилизации не в состоянии погасить регуляторный сигнал, происходит эндоцитоз гормон-рецепторных комплексов и внутри клетки появляются рецепторосомы, изолирующие рецепторные молекулы от сигнальных путей. Они могут вновь встроиться в плазматическую мембрану, если в последующем уровень гормона понизится. Если этого не происходит, они сливаются с лизосомами, после чего рецепторы разрушаются. Очевидно, что восстановление чувствительности клетки к этому гормону потребует нового синтеза рецепторов.