Методичка по гормонам. Учебнометодическое пособие для самостоятельной работы студентов медицинских вузов Москва 2007 Гормоны сигнальные молекулы

• Название: Учебнометодическое пособие для самостоятельной работы студентов медицинских вузов Москва 2007 Гормоны сигнальные молекулы
• Анкор: Методичка по гормонам.doc
• Дата: 04.02.2017
• Размер: 1.02 Mb.
• Имя файла: Методичка по гормонам.doc
• Тип: Учебно-методическое пособие; #2105
• Категория: Биология. Ветеринария. Сельское хозяйство
• страница: 5 из 11

Типы белков транспортеров глюкозы, их локализация и функции.

Типы Глют	Распределение Глют по клеткам тканей и органов	Функции разных Глют
1 2 3 4 5	Головной мозг, почки, толстый кишечник, плацента, эритроциты Печень, почки, энтероциты, β-клетки поджелудочной жедезы Головной мозг, почки, плацента и др. Скелетные мышцы, жировая ткань, сердце Тонкий кишечник	Стабильная облегченная диффузия глюкозы в клетки этих тканей Облегченная диффузия глюкозы из клеток этих тканей в кровь Стабильная облегченная диффузия глюкозы в клетки тканей, но более интенсивная, чем с участием Глют-1, т. к. Глют-3 обладает к ней повышенным сродством Стимулируемая инсулином облегченная диффузия глюкозы из крови в клетки (см. рис. 4.13) Трансмембранный транспорт глюкозы эпителиальными клетками, осуществляющими всасывание

Иначе выглядит инициация Ras-пути у ЭФР.

а) Связывание сигнальной молекулы вызывает димеризацию рецептора (рис. 4.14) и его аутофосфорилирование (1).

б) С фосфотирозинами рецепторов взаимодействует (2) SH2-домен белка переносчика сигнала (SH2БПС), который связан с так называемым (3) SOS-белком (см. рис. 4.14).

в) Образовавшийся тройной комплекс: (1) димер фосфорилированного рецептора ЭФР/(2) SH2БПС/(3) SOS-белок активирует Ras-G-белок (рис. 4.11). Дальнейшая передача сигнала вплоть до генома реализуется по Ras-пути (рис. 4.14), этапы которого во многом совпадают с таковыми у инсулина.

Рис. 4.14. Краткая схема активирования Ras-пути эпидермальным фактором роста (ЭФР). 1 – фосфорилированный рецептор ЭФР после димеризации; 2 - SH2БПС – белок переносчик сигнала, имеющий в структуре SH2-домен, узнающий остатки тирозина; 3 - SOS-белок (от англ. Son of Sevenless), названный по мутации гена у мушки дрозофилы. Буквами а, б, в обозначены начальные этапы инициации Ras-пути ЭФР, характеристика которых дана в тексте.

Рецепторы, передающие сигналы таких гормонов как соматостатин, пролактин, а также почти всех цитокинов, хотя и реализуют их по тирозинкиназному пути, при этом сами ферментами не являются и, следовательно, не обладают способностью к аутофосфорилировнию. Их фосфорилируют другие тирозинкиназы. Ими часто являются так называемые Янус-киназы, имеющие два активных центра (от «двуликий Янус», т. е. проявляющийся в двух лицах). Они принадлежат к протеинкиназам особого ЯК-семейства.

Участие рецепторов в передаче сигналов происходит по пути димеризации или без нее. По первому варианту активируются, например, рецепторы соматостатина. Они представляют из себя белки (Mr 70 кДа) с одним трансмембранным доменом (рис 4.15).

а) После связывания с ними гормона молекулы рецепторов ассоциируют, образуя гомодимеры.

б) Последние через белки-переносчики сигналов (SH2БПС) активируют Янус-киназы. В клетках тканей и органов обнаружено несколько типов SH2БПС. Их условно называют белки GP 130, β_с, γ_с и др. Одинаковые спектры биологической активности у разных сигнальных молекул объясняют тем, что они активируют одни и те же SH2БПС. И наоборот, отличающиеся эффекты одного и того же гормона могут объясняться участием разных SH2БПС.

в) Янус-киназы фосфорилируют по тирозиновым радикалам и себя (аутофосфорилирование), и цитоплазматические домены рецепторов, и различные белки. У соматостатина таким белком может быть и фосфокиназа С. Она, как известно, участвует в передаче сигналов по фосфоинозитидному пути (рис. 4.10).

г) В итоге повышается уровень ДАГ, ИФ₃, Са²⁺ - вторичных посредников (рис. 4.10)

д) Янус-киназы могут фосфорилировать и факторы транскрипции, называемые часто переносчиками сигнала и активаторами транскрипции (ПСАТ или STAT (от англ. Signal Tranducers and Activators of Transcription)). После димеризации и транслокации в ядро ПСАТ (STAT) в качестве фактора транскрипции связывается с энхансерами генов и активируют их транскрипцию. Этот финал «работы» Янус-киназ характерен для большинства цитокинов, в том числе интерлейкинов, интерферонов, факторов некроза опухолей, колониестимулирующих факторов и др. В итоге они контролируют рост и дифференцировку клеток, отвечают за биосинтез белков острой фазы и т. д.

Рис. 4.15. Передача сигналов по тирозинкиназному пути через рецепторы, лишенные ферментативной активности и Янус-киназы. Буквами а, б, в, г обозначены основные стадии реализации сигнала соматотропина. Буквами а, б, д обозначены основные стадии реализации сигнала цитокинов, характеристика которых дана в тексте.

6. 
   Путь, включающий электрогенные (потенциалзависимые) ионные каналы.
   

Связывание лиганда ведет к открыванию каналов Na⁺, K⁺, Cl¯. По такому механизму нейромедиаторы, такие как ацетилхолин (через N-холинорецепторы – Na⁺ и K⁺-каналы), γ-аминомасляная кислота (ГАМК через А-рецепторы - Cl¯-каналы), β-аланин, глицин, серотонин в центральных и периферических синапсах. Этот путь рассматривается в теме: «Биохимия нервной системы».

II. Внутриклеточно-ядерный механизм.

Местом действия липофильных гормонов являются ядра клеток-мишеней, где они регулируют экспрессию генов на стадии инициации транскрипции. В итоге синтезируются новые мРНК, новые белки, реализующие клеточный ответ. Гормоны после проникновения в клетки-мишени связываются со своими рецепторами, которые находятся или в цитозоле (глюкокортикоиды, минералокортикоиды, 1, 25(ОН)₂D₃, 24, 25(OH)₂D₃) или в ядре (эстрогены, андрогены, прогестерон, Т₃, Т₄). Рецепторы гормонов, являясь гликопротеинами, принадлежат к группе релких белков. Присутствуя в клетках-мишенях в количестве 10³ – 10⁴ молекул, они характеризуются высоким сродством к гормонам и у разных из них существенно отличаются. Так, рецепторный белок для кортизола имеет Mr 67 кДа, а для эстрадиола – Mr 200 кДа. В последнем случае он состоит из двух субъединиц.

В неактивном состоянии рецепторы связаны с белками-протекторами (шаперонами – Ш 90 или shp 90).

Особенностью этих белков является высокое сродство к гидрофобным радикалам аминокислот. Они обеспечивают вновь синтезированным белкам правильное пострибосомальное созревание (англ. shaperon – буквально пожилая дама, сопровождающая молодую девушку на балах, а также спутник, компаньон), снижая вероятность возникновения ошибок. В зависимости от молекулярной массы выделяют Ш 40, Ш 60, Ш 70, Ш 90 и др. Различают конститутивные и индуцибельные формы шаперонов. Синтез вторых усиливается при повышении температуры тела и других проявлениях стресса. В этой связи их еще называют белками теплового шока (англ. heat shock proteins – hsp 60, hsp 70, hsp 90 и т. д.).

Помимо участия в посттрансляционном процессинге, шапероны:

а) участвуют в завершающем этапе существования белков, обеспечивая их разворачивание при денатурации, с которой начинается их катаболизм;

б) направляют белки в протеасомы и лизосомы для их разрушения;

в) переносят белки через биомембраны;

г) инициируют апоптоз;

д) участвуют в превращениях конструктивных прионовых белков (Pr, Pc) в патологические их конформации – белки в форме, (Pr, Pc), инициирующие ряд прионовых болезней;

е) связываясь с рецепторами липофильных гормонов, они их стабилизируют.

Образование гормон-рецепторных комплексов влечет за собой конформационные перестройки молекул рецепторных белков и диссоциацию от шаперонов. Если это произошло в цитозоле, комплекс перемещается в ядро. Там молекулы рецепторов объединяются в димеры, обладающие повышенным сродством к ДНК. Нередко процессы активирования рецепторов сопряжены с их фосфорилированием.

Важным этапом в передаче гормональных сигналов является связывание гормон-рецепторных комплексов с двунитевой ДНК. Это происходит в регуляторных участках генов, получивших название гормон-чувствительные элементы (ГЧЭ). Последние, выступая в роли энхансеров, могут стимулировать транскрипцию, а являясь сайленсерами, ее подавляют.

Функции ГЧЭ выполняют короткие симметричные фрагменты ДНК (палиндромы). Молекулы рецепторных белков включают несколько доменов, имеющих разное предназначение: регуляторный ДНК-связывающий, сайтспецифичный и С-терминальный гормонсвязывающий. В ДНК-связывающем домене содержатся аминокислотные последовательности, образующие два цинковых кластера (или иначе два «цинковых пальца»). Один из них отвечает за связь рецептора с палиндромами ДНК, второй за димеризацию рецептора. В каждом «цинковом пальце» атом цинка связан с 4 остатками цистеина (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Структура цинкового пальца в белке-рецепторе, ответственная за связывание с ГЧЭ ДНК.

Рецепторы тиреоидных гормонов относят к факторам транскрипции. Они всегда на ДНК. В отсутствие гормонов они играют роль репрессоров, а при их поступлении инициируют экспрессию соответствующих генов.

Обсуждение внутриклеточно-ядерного механизма передачи гормональных сигналов можно завершить кратким изложением последовательности событий, приводящих к активированию транскрипции (рис. 4.15).

• 
  Гормон поступает в клетку-мишень, преодолевая билипидный слой плазматической мембраны.
  
• 
  Взаимодействие гормона с рецептором приводит к его конформационным изменениям и снижению сродства к hsp 90, который отделяется от гормон-рецепторного комплекса.
  
• 
  Если комплекс образовался в цитоплазме, он перемещается через поры в ядро, и там происходит димеризация рецепторов.
  
• 
  Димер взаимодействует с ГЧЭ ДНК (энхансером или сайленсером).
  
• 
  Это способствует увеличению (при взаимодействии димера с энхансером) или снижению (в случае взаимодействия димера с сайленсером) доступности промотора для РНК-полимеразы.
  
• 
  Скорость транскрипции структурных генов увеличивается или уменьшается.
  
• 
  Аналогично изменению транскрипции меняется скорость трансляции на рибосомах.
  
• 
  Изменяется содержание соответствующих белков в том же типе ферментов, что сказывается на метаболических процессах и функциональном состоянии клетки. Возникает клеточный ответ.
  

Эффекты липофильных гормонов проявляются не сразу, так как для осуществления матричных биосинтезов (транскрипция, трансляция) требуется время (десятки минут, часы).

Рис. 4.15. Схема реализации сигналов липофильными гормонами (на примере кортизола).
Терминация рецепторного цикла липофильных гормонов наступает при распаде тройного комплекса гормон/рецептор/ГЧЭ. Вопрос «когда и как это происходит» остается дискуссионным. Есть несколько вариантов его решения:

а) Значительное повышение количества мРНК приводит к ее конкуренции с ДНК за гормон-рецепторный комплекс. Вытесняя его из ГЧЭ ДНК, мРНК временно транслирует процесс.

б) Инактивация рецептора путем его фосфорилирования протеинфосфатазами.

в) Протеолиз рецептора ядерными протеиназами.

г) Необратимой ферментативной инактивации может подвергаться и сам гормон. Такая возможность наиболее вероятна в печени.

Задание 4.1.

1. 
   Дайте характеристику типам рецепторов, обеспечивающих передачу гормональных сигналов.
   
2. 
   Назовите пути передачи сигналов по мембранно-цитозольному механизму.
   
3. 
   Составьте схемы, отражающие последовательностьсобытий при передаче информации сигнальными молекулами по аденилатциклазному и фосфоинозитидному путям.
   
4. 
   Перечислите этапы Ras-пути тирозинкиназного механизма на примере передачи сигналов инсулина.
   
5. 
   Ответьте на вопросы:
   

• 
  Почему мембранно-цитозольный механизм передачи информации называют косвенным, а внутриклеточно-ядерный – прямым?
  
• 
  Каких ижиданий не оправдал гуанилатциклазный механизм?
  
• 
  Аденилатциклаза и гуанилатциклаза кактлизируют идентичные реакции. А в чем их отличия?
  
• 
  Какую роль играет гуанилатциклаза в реализации информации NO˙-сигнальных молекул?
  
• 
  В чем сходства и отличия аденилатциклазного и фосфоинозитидного путей мембранно-цитозольного механизма?
  
• 
  В чем отличия тирозинкиназной активности, проявляемой белками при передаче сигналов инсулина, эпидермального фактора роста (ЭФР), соматотропина?
  
• 
  Какое отношение имеют белки-шапероны к липофильным гормонам?
  
• 
  Что такое гормончувствительный элемент (ГЧЭ)?
  
• 
  Почему эффекты липофильных гормонов проявляются не мгновенно?
  
• 
  Как прекращается передача сигналов гормонов, передающих их по внутриклеточно-ядерному механизму?
  

Задание 4.2.

Решите тесты:

• 
  Инозитолтрифосфаты как внутриклеточные посредники:
  

А. Активируют фосфокиназу С

Б. Образуются из минорных фосфолипидов плазматических мембран фосфатидилинозитол-4, 5-бисфосфатов

В. Усиливают мобилизацию Са²⁺ из цистерн эндоплазматического ретикулума

Г. Может превращаться в 1, 3, 4, 5-инозитолтетрафосфат

Д. Состоит из трех субъединиц

• 
  Указанные группы гормонов:
  

1. Проникают в клетки-мишени из крови 2.Изменяют активность метаболических процессов 3. Реализуют свои сигналы, взаимодействуя с белками-рецепторами 4. Участвуют в построении биомембран 5. Не проникают в клетки-мишени

А. Белково-пептидные Б. Стероидные В. И те, и другие Г. Ни один из них

• 
  Гормоны:
  

А. Секретируются в ответ на специфические стимулы

Б. Каждый из них влияет на метаболизм в любых клетках организма

В. Могут реализовывать свои сигналы без участия белков-рецепторов

Г. Образуются в клетках-мишенях

Д. Все имеют первичных и вторичных посредников передачи информации

• 
  Гормоны передают свои сигналы через рецепторы:
  

Атриопептин Глюкагон Соматотропин Трийодтиронин Инсулин

А. Рецепторы, передающие сигналы с участием Янус-киназ Б. Внутриядерные рецепторы В. Рецепторы с тирозинкиназной активностью Г. Рецепторы с гуанилатциклазной активностью Д. Нет правильного ответа

• 
  Оцените достоверность утверждений в каждом предложении и связь между ними:
  

• 
  Янус-киназы, участвуя в передаче гормональных сигналов по гуанилатциклазному пути, активируют факторы транскрипции ПСАТ, фосфорилируя их по радикалам серина, потому что они имеют один активный центр.
  
• 
  Ras-G-белки подобно α-субъединицам G-белков обладают ГТФ-азной активностью, поэтому они являются участниками Ras-пути передачи гормональных сигналов.
  

• 
  Для передачи гормональных сигналов липофильными гормонами характерно:
  

А. Взаимодействие с внутриклеточными белками-рецепторами

Б. Участие в процессе трансляции белков

В. Образование 3', 5' цАМФ

Г. Проникновение в клетки-мишени

Д. Инициация репликации ДНК


Задание 4.3.

Решите задачу:

У больного стала возникать сильная боль за грудиной, усиливающаяся при ходьбе и физических нагрузках. Пациент при этом останавливается и при этом боль может утихнуть через несколько минут. Иногда боль появляется при волнении и вне связи с физическими напряжениями. Периодически боль стала появляться даже ночью. Больной просыпается с чувством страха и остается неподвижным, опасаясь ее усиления.

Характерным для этих приступов оказалось то, что они быстро купируются после приема под язык нитроглицерина.

Примите решение относительно заболевания пациента. Объясните механизм лечебного эффекта нитроглицерина.

5. Гормоны центральных эндокринных желез. Йодтиронин щитовидной железы.
Эндокринная система является важным звеном в передаче сигналов от головного мозга к тканям и органам. Ведущую роль в этом играют центральные железы гипоталамус и гипофиз.

Мозг воспринимает сигналы от всех тканей организма. Это происходит путем возбуждения афферентных (приносящих) нервных волокон, а также в результате изменения состава крови, поступающей в него. Эфферентные (центробежные) нервные импульсы, передаваемые из головного мозга в гипоталамус, активируют его секреторные возможности.

Гормоны гипоталамуса поступают в переднюю долю гипофиза через специальную портальную систему сосудов, которая соединяет эти железы.

Каждый из либеринов гипоталамуса (см. табл. 2.1) влияет на определенные клетки гипофиза и инициирует в них синтез соответствующих тропинов (см. табл. 2.2). Влияние на гипофиз статинов (см. табл. 2.1) противоположное. Они подавляют выработку тропинов.

С током крови гормоны гипофиза попадают в периферические железы и в клетках-мишенях активируют секреторные процессы. На каждом этапе передачи сигналов происходит их усиление за счет увеличения количества вырабатываемых гормонов. Особенностью эндокринного пути передачи информации является и то, что, воздействуя одним стимулом, можно получитьмножество ответных эффектов. Например, при стрессе сигналы, инициирующие выработку кортиколиберина в гипоталамусе, стимулируют биосинтез в передней доле гипофиза проопиомеланокортина. При распаде этого белка образуется не только кортикотропин и медиаторы (рис 2.1) В то время, как глюкокортикоиды, вырабатываемые в коре надпочечников в ответ на сигнал кортикотропина, способствуют повышению уровня глюкозы в крови, липотропин напрямую стимулирует липолиз и мобилизацию жирных кислот в адипоцитах. Меланотропин стимулирует иммунную систему. Эндорфины, энкефалины уменьшают болевые ощущения. А все вместе они обеспечивают наиболее выгодную адаптацию организма к стрессу.

Образование и выделение гормонов в гипоталамусе и гипофизе тесно связаны, поэтому целесообразно их рассматривать вместе. У гормонов гипоталамуса главной, а чаще единственной, функцией является регуляция «работы» гипофиза. Гормоны последнего не только стимулируют функции соответствующих желез, но и нередко оказывают прямое влияние на метаболические процессы в периферических тканях и органах. По химическому строению гормоны гипоталамуса представляют из себя пептиды. В гипофизе синтезируются гормоны полипептиды, простые белки, сложные белки гликопротеины.

Тиреолиберин состоит всего лишь их трех аминоацилов, два из которых образованы остатками редко встречающихся аминокислот (Mr 262 кДа). См рис. 5.1.


Рис. 5.1. Химическая структура тиреолиберина. 1 – остаток пироглутаминовой кислоты; 2 – остаток гистидина; 3 – остаток пролинамида.
Удивительным является и то, что синтезируется этот небольшой пептид ограниченным протеолизом из довольно большого предшественника препротиреолиберина, состоящего из 242 аминоацилов.

Секреция тиреолиберина усиливается норадреналином, а замедляется серотонином. В клетках-мишенях передней доли гипофиза тиреолиберин по аденилатциклазному и фосфоинозитидному путям усиливает биосинтез тиреотропина и некоторых других гормонов, однако считают, что последнее физиологического значения не имеет.