Методичка по гормонам. Учебнометодическое пособие для самостоятельной работы студентов медицинских вузов Москва 2007 Гормоны сигнальные молекулы
 Скачать 1.02 Mb.
|
|
Гормоны и другие сигнальные молекулы (информоны) – стимуляторы или ингибиторы аденилатциклазы.
Как же работает аденилатциклазная система? Гормон взаимодействует с рецептором. Образующийся гормон-рецепторный комплекс передает сигнал G-белку, а он, претерпевая ряд изменений (рис. 4.4), активирует аденилатциклазу. Последняя нарабатывает 3', 5' цАМФ (рис. 4.5). Молекулы 3', 5' цАМФ обратно связываются с регуляторными субъединицами протеинкиназы А (рис 4.7) и ее активируют. Активная протеинкиназа фосфорилирует специфические белки и в том числе ферменты. Так, если это был сигнал глюкагона или адреналина через β1, β2-адренорецепторы, в гепатоцитах фосфорилируется гликогенсинтаза, становясь инертной, и киназа фосфорилазы, затем активирующая гликогенфосфорилазу. В итоге биосинтез гликогена замедляется, а распад ускоряется (рис. 4.7). Реализация сигнала завершается дециклизацией 3', 5' цАМФ фосфодиэстеразой (рис. 4.5) и дефосфорилированием белков (ферентов) фосфопротеинфосфатазой (рис. 4.6). Рассмотренный механизм передачи сигнала является многостадийным, что обеспечивает его амплификацию, т. е. многократное усиление. Даже единственная молекула гормона способствует в образовании огромного числа 3', 5' цАМФ, которые, в свою очередь, активируют еще больше молекул протеинкиназы А. Одна молекула этого фермента фосфорилирует множество молекул белков. В итоге меняется активность тысяч молекул ферментов. Рис. 4.7. Схема аденилатциклазного пути мембранно-цитозольного механизма передачи сигналов (на примере сигнала глюкагона, адреналина в печени, мышцах) 2. Не оправдал ожидания гуанилатциклазный путь передачи информации. Предполагали, что его используют многие сигнальные молекулы, а их оказалось лишь несколько (атриальный, натрийуретический фактор (АНФ) или еще его называют атриопептин, натрийуретический пептид из мозга, кишечный пептид гуанилин, термостабильный токсин грамотрицательных бактерий, оксид азота (NO˙)). Различабт четыре формы гуанилатциклазы. Три из них структурированы в плазматические мембраны и играют роль белков-рецепторов первого типа. При этом гуанилатциклазной активностью обладает внутриклеточный домен. Связывание гормона с экстрацеллюлярным доменом-рецептором приводит к активированию внутриклеточного активного центра. В цитозоле есть еще одна растворимая форма гуанилатциклазы. В качестве простетической группы она содержит гем, с которым связывается самая простая межклеточная сигнальная молекула NO˙ (оксид азота). Все формы гуанилатциклазы синтезируют 3', 5' цГМФ по схеме, аналогичной образованию 3', 5' цАМФ из АТФ (рис. 4.5). А какими возможностями располагает 3', 5' цГМФ? Их условно выделяют три: а) он активирует протеинкиназу G (от англ. GMP) Протеинкиназа G состоит из 2-х субъединиц, каждая из которых имеет два центра связывания 3', 5' цГМФ. Конформационные изменения молекулы фермента после присоединения 3', 5' цГМФ повышают его активность. Он начинает интенсивно катализировать фосфорилирование различных белков по радикалам серина, треонина (рис. 4.8). Рис. 4.8. Схема активирования протеинкиназы G и ее каталитическая активность. б) 3', 5' цГМФ регулирует активность фосфорилазы, которая дециклизует 3', 5' цАМФ и, следовательно, контролирует его уровень в) активируя Са2+-АТФ-азу и снижая эффективность работы Са2+-каналов в мембранах, 3', 5' цГМФ способствует снижению уровня Са2+ в цитоплазме клеток Некоторые из этих эффектов присущи NO˙ - сигнальной молекуле (рис. 4.9). Она образуется в клетках многих тканей и органов при катаболизме аргинина. В состав фермента нитроксидсинтазы, катализирующей синтез NO˙, входят ФМН, ФАД, гем, ТГБП, Zn2+. В реакции участвует НАДФ·Н + Н+. Ацетилхолин стимулирует образование оксида азота, из чего следует, что она может опосредоваться нервной регуляцией. Он также активнее нарабатывается в ответ на механическое воздействие на стенки кровеносных сосудов при повышении кровяного давления. Образуясь в эндотелиальных клетках, NO˙ диффундирует в гладкомышечные. Там он взаимодействует с ионом железа, входящим в гем цитозольной гуанилатциклазы и активирует ее. Нарабатываемый 3', 5' цГМФ, воздействуя на протеинкиназу G, увеличивает поток Са2+ наружу и этим инактивирует киназу легких цепей. В итоге наступает мышечная релаксация и расширение сосудов. Возник повод называть оксид азота эндотелиальным релаксирующим фактором (ЭРФ, от англ. Endotelium-Drived Relaxing Factor, EDRF). На этом основано применение нитровазодилататоров (нитроглицерин, нитропруссид, аэрозоль изокет®, содержащая изосорбида динитрат и др.) для купирования загрудинных болей при стенокардии, инфаркте миокарда и т. д. Они медленно высвобождают NO˙, вызывая тем самым расслабление сосудов и улучшение кровоснабжения сердца. Рис. 4.9. Схема, иллюстрирующая участие NO˙-сигнальной молекулы в расслаблении гладких мышц. 3. Гормоны и другие сигнальные молекулы, использующие фосфоинозитидный путь, представлены в табл. 4.2. Таблица4.2. Сигнальные молекулы, действующие по фосфоинозитидному пути
Важным моментом в передаче сигналов по этому пути является активирование фермента фосфолипазы С, которая расщепляет минорные фосфолипиды плазматических мембран фосфатидилинозитол-4, 5-бисфосфаты (рис. 4.9). Образующиеся диацилглицеролы (ДАГ) и 1, 4, 5-трифосфоинозитолы (ИФ3) играют роль вторичных посредников. Как и в случае аденилатциклазного механизма первичными посредниками здесь являются G-белки, но не абсолютно те же, а несколько отличающиеся – Gplc-белки. ДАГ и ИФ3 инициируют в клетках-мишенях два отдельных каскадных механизма (рис. 4.10). ДАГ, оставаясь в плазматической мембране, активирует протеинкиназу С. В структуре этого фермента выделяют два домена: регуляторный и каталитический. Первый, имея высокое сродство к ионам кальция и максимально активируясь в его присутствии, присоединяет ДАГ. Конформационные изменения затрагивают каталитическую субъединицу и фермент становится активным. Протеинкиназа С фосфорилирует белки, имеющие отношение к пролиферации клеток (белки цитоскелета и ядерного хроматина, митогены, факторы роста). Следует отметить, что уровень Са2+ в цитозоле клеток зависит от второго внутриклеточного посредника (ИФ3), хотя он и сам по себе является вторичным посредником. Каким образом ИФ3 повышает содержание Са2+ в цитозоле клеток? ИФ3 усиливает его мобилизацию из цистерн эндоплазматического ретикулума, а, превращаясь в 1, 3, 4, 5-инозитолтетрафосфат (ИФ4), открывает в плазматических мембранах «медленные» неэлектрогенные лиганд-зависимые кальциевые каналы, обеспечивая поступление Са2+ в клетки из внеклеточного матрикса в цитоплазму. Действие Са2+ опосредовано специальными Са2+-вязывающими белками кальмодулином, аннексином. Кальмодулин представляет из себя белок (Mr 17 кДа), имеющий четыре участка связывания Са2+. При повышении уровня этого иона в цитозоле до ≥10-5 моль/л образуются активные Са2+-кальмодулиновые комплексы, способные изменять функциональное состояние разных белков. Они активируют кальций-зависимые аденилатциклазу и гуанилатциклазу, а в некоторых типах клеток, стимулируя фосфодиэстеразу, гасят сигналы, передаваемые по аденилатциклазному пути. Кроме того, Са2+-кальмодулиновые комплексы активируют различные протеинкиназы, в том числе протеинкиназу С, которые, например, в гладких мышцах фосфорилируют легкие цепи миозина и инициируют их сокращение. В париетальных клетках стенки желудка киназы фосфорилируют и этим стимулируют функцию Н+, К+-АТФ-азы, обеспечивающей секрецию Н+ для последующего образования HCl. В разных тканях Са2+-зависимая протеинкиназа активирует киназу липомодулина. Этот мембранный белок повышает активность фосфолипазы А2 и стимулирует в конечном итоге биосинтез эйкозаноидов (простагландинов, тромбоксанов, простациклинов, лейкотриенов). В мышцах Са2+ активирует особую форму киназы фосфорилазы В, стимулирующую гликогенолиз. Этот механизм реализуется адреналином через α1-адренорецепторы. Терминация эффектов кальмодулина происходит при его взаимодействии с кальций-связывающими белками типа кальцийнейрина. Кроме того, сам Са2+ активирует Са2+-АТФ-азу, обеспечивающую удаление его туда, откуда он поступал в цитозоль (ВКМ, цистерны ЭР). И, наконец, вторичные посредники ИФ3 и ДАГ могут удаляться путем вовлечения в ресинтез минорных фосфатидилинозитолов. Все это приводит к прекращению передачи гормонального сигнала. Рис. 4.10. Фосфоинозитидный путь действия сигнальных молекул: Pg – простагландины; Lt – лейкотриены; Tx – тромбоксаны; Pg I2. 4. Путь включения Са2+ неэлектрогенных медленных каналов. Уже отмечено в предыдущем разделе, что эти каналы в плазматических мембранах открываются под воздействием инозитол-1, 3, 4, 5-тетрафосфата (ИФ4). Однако в ряде случаев эти каналы могут включаться напрямую гормон-регуляторными комплексами или через G-белки. Таких информонов известно несколько (табл. 4.3). Таблица 4.3. Информоны, напрямую действующие на медленные неэлектрогенные Са2+ каналы.
Данный путь накопления Са2+ в клетке является менее эффективным, чем фосфоинозитидный, но при достижении уровня Са2+ в цитозоле ≥ 10-5 моль/л их эффекты совпадают (см. раздел №4, стр. ). 5. Тирозинкиназный путь. Его включают рецепторы, обладающие тирозинкиназной активностью (см. рецепторы первого типа, рис. 4.1, 4.12, 4.14), или инициирующие ее у других белков (рис. 4.15). Уникальность этих протеинкиназ состоит в том, что они фосфорилируют белки не по остаткам серина, треонина, как это традиционно делают другие протеинкиназы, а по радикалам тирозина. Рецепторы – собственно тирозинкиназы (инсулиновый, фактора роста эпидермиса и др.) активируют необычный сигнальный путь (Ras-путь), особенностью которого является отсутствие низкомолекулярных вторичных посредников. Все его участники представлены белками. Один из них Ras G-белок, давший название всему пути. Это небольшой мономерный ГТФ-связывающий белок, обладающий ГТФ-азной активностью. В неактивном состоянии Ras-белок прикреплен к внутренней поверхности плазматической мембраны и связан с ГДФ. В активной его форме ГДФ заменен на ГТФ. Как же реализует инсулин свою информацию в клетках-мишенях? а) После связывания с гормоном рецептор аутофосфорилируется по тирозиновым радикалам и активируется. б) Это приводит к фосфорилированию находящихся в цитоплазме белков-субстратов инсулинового рецептора (IRS). См. рис. 4.11. Известны разные их варианты. в) Эти субстраты инициируют в клетках несколько видов дальнейших превращений. Один из них связан с активированием Ras G-белков. При этом образуется комплекс, включающий четыре компонента: 1 – фосфорилированный инсулиновый рецептор (IR-тир-О-Р); 2 – фосфорилированный субстрат инсулинового рецептора (IRS-тир-О-Р); 3 – GEF; 4 – SOS-белок (сокращеня расшифрованы в комментариях к рис. 4.11). Комплекс инициирует изменения, происходящие дальше с Ras G-белками. Вначале в Ras G-белке происходит замена ГДФ на ГТФ. Это очень похоже, хотя и не полностью, на активирование G-белков, ассоциированных с рецепторами третьего типа (рис. 4.4). Ras-ГТФ-белок обладает ГТФ-азной активностью, то есть он сам себя постепенно инактивирует и возвращается в инертную форму (Ras-ГДФ-белок). Показано, что ГТФ-азная его активность стимулируется специальным GAP – 5. См. рис. 4.11. Рис. 4.11. Схема активирования и последующего аутоинактивирования Ras G-белка. 1 - фосфорилированный инсулиновый рецептор (IR-тир-О-Р); 2 - фосфорилированный субстрат инсулинового рецептора (IRS-тир-О-Р от англ. Insuline Receptor substrate); 3 – GEF, осуществляющий обмен ГТФ (от англ. GTF-ase Exchange Factor); 4 – SOS-белок (от англ. Son of Sevenless – белок, участвующий в этом сигнальном пути, получивший название по имени соответствующей мутации гена (Sevenless mutation) у мушки дрозофилы; 5 – GAP от англ. GTP-ase Activatiny Protein. г) На пике своей активности RasГТФ-белок фосфорилирует и этим стимулирует функцию следующего компонента Raf-1-белка, представляющего из себя протеинкиназу серин-треонинового типа. Raf-1-белок в неактивном состоянии находится в цитозоле. Он комплексирован с шаперонами. Его активирование Ras ГТФ-белком – сложный многоэтапный процесс. д) Активная Raf-киназа стимулирует каскад реакций фосфорилирования по серин/треониновому типу. Изменяется функциональное состояние нескольких белков, в частности, митоген активируемых протеинкиназ (МАП). Последние активируются в две стадии: вначале фосфорилируется киназа МАП, а потом ею активируются и они сами. е) Мишенями МАП являются белки-эффекторы, также как протеинкиназа рр90S6, фосфорилаза А2, белки рибосом, а также переносчики сигнала и активаторы транскрипции (ПСАТ). В их число входят Gun-, Fos-факторы и др. Здесь следует отметить, что Gun-, Fos-факторы, как и ранее упоминавшиеся Ras- и Raf-белки, обязаны своими необычными названиями ретровирусным онкогенам. Оказалось, что эти онкогены имеют в нормальных клетках своих «двойников». И хотя эти нормальные гены кодируют белки Ras-пути, назвали их по онкогенам вирусов. ж) После димеризации и транслокации в ядро ПСАТ выступают в роли индукторов, узнающих энхансеры. Этим они стимулируют транскрипцию генов, клеточную пролиферацию и дифференцировку. Инсулин влияет на скорость транскрипции более чем 100 мРНК в клетках печени, скелетных мышц, сердца, жировой ткани. Обращает внимание, что некоторые факторы транскрипции являются ее репрессорами, узнающими сайленсеры на ДНК. Тогда биосинтез мРНК и соответствующих белков замедляется. Инсулин таким способом подавляет образование фосфоенолпируваткарбоксикиназы и блокирует глюконеогенез. Окончание гормонального действия через инсулиновые рецепторы наступает под влиянием протеинфосфатаз, возвращающих их в неактивное состояние или их фосфорилирование протеинкиназами по радикалам серина и треонина, их сродство к инсулину. Еще одним путем снижения чувствительности клеток к инсулину является захватывание ими комплексов рецептор-инсулин внутрь эндоцитозом. Часть рецепторов потом возвращается обратно в мембрану, а часть расщепляется лизосомальными протеиназами. з) Одной из особенностей Ras-пути является его взаимодействие в нескольких точках с другими регуляторными путями. Так Raf-1-белок может активироваться не только Ras ГТФ-белком, но и протеинкиназой С – ферментом участником фосфоинозитидного пути (рис. 4.10). И, напротив, некоторые протеинкиназы Ras-пути могут иметь в качестве мишеней белки альтернативных регуляторных механизмов. Например, протеинкиназа рр90S6 каскадного этапа Ras-пути рр90S6 стимулирует функцию протеинфосфатазы, которая затем фосфорилирует киназу гликогенфосфорилазы, гликогенфосфорилазу, гликогенсинтазу – регуляторные ферменты метаболизма гликогена по аденилатциклазному пути. Распад гликогена в печени под действием инсулина замедляется, а биосинтез ускоряется. Уже было отмечено, что митогенактивируемые протеинкиназы (МАП) стимулируют функцию фосфорилазы А2, обеспечивающей образование эйкозаноидов. Это сближает эффекты тирозинкиназного и фосфоинозитидного путей передачи сигналов. Вторичные посредники последнего (ИФ3, ИФ4, Са2+) через киназу липомодулина также активируют фосфорилазу А2 (рис. 4.10). Обнаружена способность субстратов (IRS), активируемых инсулин-рецепторным комплексом, стимулировать функцию фосфатидилинозитол-3-киназы (ФИ-3-киназы). Через ряд стадий это приводит к образованию минорных фосфофосфатидилинозитолов и повышению уровня вторичных посредников фосфоинозитидной сигнальной системы ФИ3, ФИ4, Са2+ (рис.4.10). Считают также, что ФИ-3-киназа в адипоцитах активирует фосфодиэстеразу. Это приводит к торможению липолиза за счет уменьшения внутриклеточной концентрации вторичного посредника аденилатциклазного пути 3'5' цАМФ. ФИ-3-киназа принадлежит способность в мышцах и жировых клетках ускорять встраивание белков транспортеров глюкозы четвертого типа (Глют-4) в плазматические мембраны и стимулировать облегченную диффузию глюкозы из крови в клетки. Уровень глюкозы в крови снижается (рис. 4.13). На жировых клетках было показано, что встраивание Глют-4 завершается уже через 7 минут после связывания инсулина с рецепторами. После удаления инсулина процесс обращается, и через 20 – 30 минут транспортные белки выходят из мембраны в цитоплазму. Рис. 4.13. Мобилизация Глют-4 под действием инсулина в клетках скелетных мышц и жировой ткани. 1 – инсулиновый рецептор; 2 – гормон инсулин; 3 – Глют-4 в цитозольных везикулах; 4. После образования гормон-рецепторного комплекса везикулы перемещаются к плазматической мембране, сливаются с ней и встраивают Глют-4 в мембрану. После этого происходит облегченная диффузия глюкозы в клетки. Рис. 4.12. Краткая схема Ras-пути, сигнальных молекул, передающих информацию через рецепторы, ассоциированные с тирозинкиназой, на примере инсулина. Буквами а, б, в, г, д, е, ж, з обозначены основные стадии Ras-пути, характеристика которых дана в тексте (стр. ) IRS – субстрат инсулинового рецептора; Глют-4 – белок-транспортер глюкозы (глюкозный транспортер-4); ФИ3 – инозитол-1, 4, 5-трифосфат; ФИ4 – инозитол-1, 3, 4, 5-тетрафосфат; SOS-белок – (от англ. Son of Sevenless), названный по мутации гена у мушки дрозофилы; Gun-, Fos-факторы, Ras-, Raf –белки получили свои названия по названиям ретровирусных онкогенов, «двойниками» которых они оказались в нормальных клетках; МАП – митоген, активирующий протеинкиназу; ПСАТ – переносчики сигнала и активаторы транскрипции. Глюкозные транспортеры (Глют-4) обнаружены во всех тканях, инсулинзависимые – в жировой и мышечной. Различают их несколько типов (табл. 4.4). Таблица 4.4. |