Гормоны действуют на свои клетки-мишени посредством различных специфических механизмов, в которых можно увидеть и общие закономерности. Непременным первым этапом действия любых гормонов является их “узнавание'5 определенными клеточными структурами — гормональными рецепторами. При взаимодействии гормона с рецептором включается последовательность реакций, присущих клетке-мишени.
Рецепторы югеток-мишеней. Распознавание клеткой-мишенью “своего” гормона обусловлено присутствием в ней специфических белковых молекул, обладающих двойной функцией. Первая из них заключается в дискриминированном приеме гормонального сигнала, т.е. в специфическом связывании определенным участком белка (доменом) молекул только определенного строения. Такая специфичность обусловлена высоким сродством и избирательностью, а также ограниченной емкостью связывания. Само по себе связывание гормона с распознающим доменом рецептора — процесс, хотя и абсолютно необходимый, но недостаточный для включения (инициации. индукции) последующих реакций, свойственных данной клетке-ми- шени. Для того чтобы это произошло, энергии первичного взаимодействия гормона с распознающим доменом рецептора должно хватить для такой конформационной перестройки второго (эффекторного) его домена, которая резко повысит его способность к взаимодействию с определенными внутриклеточными молекулами (“акцепторами” гормонрецепторных комплексов).
Для белковых и полипептидных гормонов клеточная мембрана, как правило, непроницаема и поэтому, чтобы повлиять на внутриклеточные процессы, такие гормоны должны прежде всего связаться со специфическими рецепторами плазматической мембраны. Влияние этих гормонов на внутриклеточные процессы можно понять, исходя из теории “вторых посредников” (если считать первыми сами гормоны). Как уже отмечалось, некоторые полипептидные гормоны (в комплексе со своими рецепторами) способны “интернализироваться”, т.е. проникать внутрь клеток-мишеней путем эндоцитоза. Это может служить одним из механизмов инактивации гормонов и играть определенную роль в механизмах их внутриклеточных эффектов.
Жирорастворимые молекулы, например стероиды, способны относительно легко проходить через плазматические мембраны клеток путем простой диффузии. Распознавание таких гормонов происходит внутри клеток и определяется присутствием в них цитоплазматических и/или ядерных рецепторов, обладающих высоким сродством к соответствующим гормонам и таким образом “удерживающих” их внутри клеток.
Рецепторы меточной мембраны. Гормональные рецепторы клеточных (плазматических) мембран — определенные белки, набор которых в клетках разных органов неодинаков. Принято считать, что внеклеточные домены каждого рецептора способны связывать только один какой-либо гормон (или одну какую-либо группу близких гормонов), хотя недавно был обнаружен рецептор, содержащий связывающие места для двух разных полипептидных гормонов (вазопрессина и ангиотензина II).
В результате образования комплекса гормона с внеклеточным доменом специфического рецептора его трансмембранные или внутриклеточные (эф- фекторные) домены меняют свою конформацию, приобретая способность взаимодействовать с так называемыми нуклеотидрегуляторными, или G- белками. Эти белки могут быть либо стимулирующими (Gc), либо ингибирующими (GM) в зависимости от того, усиливают они или тормозят превращение ГТФ в ГДФ. И Gc, и GH состоят из трех субъединиц, которьк при образовании гормонрецепторного комплекса диссоциируют, и одна и: этих субъединиц (а) в зависимости от того, образовалась ли она из Gc шн GM, активирует или ингибирует каталитическую единицу рецептора. Ката литические единицы могут быть представлены такими ферментами, ка) аденилатциклаза, гуанилатциклаза, фосфолипаза С и различные протеин киназы (рис. 1.1).
Внутриклеточные гормональные рецепторы. Рецепторы тех гормоноЕ которые способны проникать в клетку либо путем диффузии, либо за сче других механизмов (например, с помощью эндоцитоза или специфически молекул-переносчиков) расположены внутри клеток (в цитоплазме ил ядре). Внутриклеточные рецепторы также включают не только распознак щие, но и эффекторные компоненты, которые активизируются после обрlt; зования гормонрецепторного комплекса, т.е. приобретают способность вл* ять на метаболизм клетки, в том числе на процесс транскрипции гено Таким образом, эти рецепторы связывают гормоны, а затем сами связыв) ются с гормончувствительными элементами ДНК (рис. 1.2). Специфи] действия гормона определяется строением не только ДНК-связывающе

Рис. 1.1. Опосредование гормональных эффектов мембранным рецептором.
I — активация ионных каналов, или насосов; 2 — каталитическая единица (аденилатциклаза); — активация протеинкиназы; 4 — активация различных белков (факторов транскрипции, транспортеров и т.д.); 5 — возрастание уровня Са^ .
домена рецептора, но и самого гормончувствительного элемента ДНК, “трансактивирующего” определенный ген, а также участием дополнительных молекул, взаимодействующих как с самим рецептором, так и с гормончувствитель- ным элементом ДНК. Внутриклеточные эффекты стероидных, ти- реоидных и других гормонов, связывающихся с внутриклеточными рецепторами, вероятно, не исчерпываются влиянием на ядерную ДНК. Они могут реализовываться также на внетранскрипционных и даже внеядерных уровнях.
Регуляция рецепторов. Являясь компонентами клеток-мишеней, гормональные рецепторы не только регулируют эффекты гормонов, но и сами служат объектом регуляции со стороны многих сис- ~ем. Такая регуляция могла бы определять динамику чувствительности клеток к гормонам, окончание гормональных эффектов и, наконец, метаболизм самих гормонов. Согласно расчетам, число специфических рецепторных молекул в клетках-мишенях колеблется от 500 до 30 ООО и коррелирует с их чувствительностью к гормону. Однако в физиологических условиях гормоном “оккупируется” тишь очень небольшая часть имеющихся в клетке (или на ней) рецепторов {около 5 %). По всей вероятности, “избыточность” рецепторов способствует
восприятию гормонального сигнала в условиях сниженной концентрации гормона и обеспечивает “кластеризацию” (собирание в одном месте) рецепторных молекул, представляющую собой необходимый этап проявления гормонального эффекта.
Количество гормональных рецепторов, как и уровень самих гормонов, претерпевает суточные и сезонные колебания и зависит от физиологического состояния организма. Механизмы такой регуляции выяснены не полностью, но важнейшую роль среди них играет способность самих гормонов обратимо изменять количество или активность своих рецепторов. Чаше всего под действием гормона происходит дозозависимое снижение концентрации активных рецепторов (“снижающая регуляция”), хотя в некоторых случаях наблюдается “повышающая регуляция”. Таким образом, и на рецепторном уровне реализуется основной принцип функционирования эндокринной системы — принцип обратной связи (см. выше).
Пострецепторные механизмы действия гормонов. Эффекты гормонов в клетках-мишенях можно разделить на три группы: прямые мембранные, опосредуемые системами “вторых посредников” и их действием на клеточное ядро. Такое разделение эффектов довольно условно, так как любой гормон может оказывать свое действие, обусловленное комбинацией разных механизмов.
Прямые мембранные эффекты. Гормоны могут непосредственно влиять на плазматические мембраны клеток, меняя, например, их проницаемость или транспорт определенных веществ. Так, взаимодействие гормона со специфическим мембранным рецептором может изменить строение мембраны (например, в ней будут открываться поры). Вазопрессин стимулирует перемещение водных каналов в мембраны почечных клеток-мишеней. В другом случае может меняться сродство или количество молекул, транспортирующих ряд соединений через клеточную мембрану. Иногда происходит активация специфических мембранных “насосов”, или “помп”, например йодного насоса в фолликулярных клетках щитовидной железы под влиянием ТТГ. К таким эффектам можно отнести и прямую активацию тирозинки- назной активности, свойственной некоторым рецепторам. После связывания гормона с таким рецептором происходит фосфорилирование некоторых белков по их тирозильным остаткам. Этот процесс опосредует, в частности, действие инсулина. С активацией рецепторной тирозинкиназы всегда связано фосфорилирование самого рецептора. Такое “аутофосфорилирование” приводит, по-видимому, к повышению тирозинкиназной активности рецептора, направленной на фосфорилирование соседних рецепторов или других внутриклеточных протеинкиназ.
Активация внутриклеточных вторых мессенджеров. В опосредовании внутриклеточных эффектов многих гормонов, взаимодействующих с рецепторами плазматической мембраны, принимают участие “вторые посредники”. Даже некоторым чисто мембранным эффектам гормонов может предшествовать активация внутриклеточных посредников, в результате которой усиливается, например, синтез ферментов, влияющих на состояние клеточной мембраны.
Роль “вторых посредников” могут выполнять различные соединения, в том числе циклические нуклеотиды — цАМФ и цГМФ, инозитолтрифосфат, диацилглицерин, внутриклеточные ионы кальция и эйкозаноиды.
Циклический АМФ (цАМФ) образуется из АТФ под действием фермента аденилатциклазы, которая представляет собой каталитическую единицу мембранного рецептора, входящую в единый комплекс “рецептор — G-белок — аденилатциклаза”. Циклический АМФ активирует специфические цитоплазматические протеинкиназы, катализируя перенос на них терминального фосфата АТФ. Молекулы протеинкиназ в свою очередь состоят из двух регуляторных и одной каталитической субъединицы. Фосфорилирование регуляторных субъединиц приводит к отщеплению от них каталитической субъединицы, которая приобретает способность фосфорилировать (и тем самым активировать) свои собственные белковые субстраты (например, про- теинкиназу А), вызывая внутриклеточные эффекты, свойственные различным гормонам. Фосфодиэстеразы гидролизуют цАМФ, превращая его в неактивный 5 -АМФ. Роль цАМФ в качестве внутриклеточного посредника действия гормона впервые была показана на примере гликогенолитического эффекта адреналина в печени, а затем подтверждена для многих других гормонов.
Циклический ГМФ (цГМФ) также образуется вследствие активации мембранной каталитической единицы, в данном случае — гуанилатциклазы. Однако в отличие от аденилатциклазы, которая связана с гормональным рецептором через G-белки, гуанилатциклаза напоминает рецепторную тиро- зинкиназу, поскольку непосредственно связана с рецепторной молекулой. Примерами соединений, реализующих свое действие через рецепторную гуанилатциклазу и цГМФ, служат предсердный натрийуретический пептид и окись азота.
Роль “вторых посредников” в действии ряда гормонов, связывающихся с мембранными рецепторами, играют также некоторые продукты превращения мембранных фосфолипидов. Взаимодействие гормона со своим рецептором (обычно находящимся в комплексе с G-белком) активирует мембранный фермент фосфолипазу С. Под действием этого фермента из мембранных фосфолипидов образуются инозитолтрифосфат (И-Р3) и диациглицерин ЛАГ). И-Pj стимулирует высвобождение связанных в клетке ионов кальция, которые уже сами по себе усиливают дальнейшее высвобождение кальция, что приводит к быстрому нарастанию его уровня в цитоплазме. По существу это означает появление “третьего посредника”, который способен оказывать многочисленные эффекты на метаболические процессы в клетке. ДАГ активирует мембранный фермент протеинкиназу С. Этот фермент фосфори- лирует (активирует) внутриклеточные белки, способные влиять на разнообразные процессы как в цитоплазме, так и в ядре клетки, обусловливая проявления гормональных эффектов.
Мобилизация ионов кальция (Са2+) — важнейший механизм передачи гормонального сигнала с мембранных рецепторов на метаболические процессы в клетке. Концентрация Са2+ в цитоплазме составляет примерно 10'7 М при внеклеточной его концентрации порядка 10‘3 М. Такой градиент поддерживается работой многих кальциевых каналов, насосов и транспортеров, которая в ряде случаев сопряжена с транспортом других ионов (на- г.ример, ионов Na+). Уровень Са2+ в цитоплазме может возрастать как за счет его поступления в клетку извне, так и за счет его мобилизации из внутриклеточных источников, которыми служат различные органеллы клетки (эндоплазматическая сеть, митохондрии и микросомы). Ионы Са2+, подобно другим “вторым посредникам”, регулируют активность различных протеинкиназ, но в некоторых случаях они прежде всего взаимодействуют с внутриклеточными связывающими белками. Главные из них — это тропо- нин в мышечных и кальмодулш во всех других клетках. Комплекс “кальций — кальмодулин” также способен взаимодействовать со многими белками, включая различные протеинкиназы, среди которых могут быть и цАМФ-за- висимые.
Следует подчеркнуть, что в основе функционирования эндокринной системы лежит принцип обратных связей, отчетливо проявляющийся и на внутриклеточном уровне. Например, возрастание содержания цАМФ в клетке может приводить к увеличению цитоплазматической концентрации Са2+, а это снижает уровень цАМФ.
Активируя фосфолипазы клеточной мембраны, гормоны могут стимулировать превращение фосфолипидных предшественников в дигомо-у-ли- ноленовую и арахидоновую кислоты, из которых образуются вещества, принадлежащие к семейству эйкозаноидов. Наиболее известны среди них про- стагландины (производные ненасыщенной жирной кислоты с 20 углеродными атомами). Первые из этих соединений были обнаружены в экстракте из семенной жидкости человека, что и определило их название. В настоящее время они найдены во всех клетках и, поскольку синтезируются в ответ на действие гормонов и способны стимулировать образование циклических нуклеотидов (например, цАМФ), их также относят к числу “вторых посредников”. Синтез ПГ проходит через образование крайне нестабильных промежуточных продуктов — эндоперекисей, которые служат предшественниками и других биологически активных, хотя столь же нестабильных, соединений, называемых тромбоксанами, которые быстро превращаются в стабильные производные тромбоксана В. Из эндоперекисей различными путями образуется и другая активная молекула, получившая название простаци- клина (ПГ12). Арахидоновая кислота служит также предшественником группы активных соединений, называемых лейкотриенами, которые синтезируются в лейкоцитах крови. В отличие от ПГ и тромбоксанов, действующих главным образом как внутриклеточные посредники, лейкотриены и ПП2 выделяются из синтезирующих их клеток в кровь и могут рассматриваться как гормоны.
Внутриклеточное действие гормонов на синтез белка. Как уже отмечалось, некоторые гормоны, в частности стероидные и тиреоидные, относительно свободно проникают через плазматическую мембрану клеток и связываются со своими специфическими внутриклеточными рецепторами. Образующиеся при этом комплексы взаимодействуют с отдельными последовательностями нуклеотидов ядерной ДНК, влияя на процессы синтеза белка.
Пептидные гормоны, которые связываются с мембранными рецепторами на поверхности своих клеток-мишеней, также влияют на транскрипцию расположенных в ядре генов. В ряде случаев этот эффект опосредуется каскадом реакций, запускаемых “вторыми посредниками”. Так, многие протеинкиназы содержат элементы, распознающие отдельные последовательности в ядерном геноме, или активируют специальные факторы транскрипции. В других случаях таким эффектом мог бы обладать “интернализован- ный” гормон.
Гормоны могут влиять на синтез белка не только на стадии транскрипции кода с ДНК на РНК, но и на стадии трансляции кода с мРНК при синтезе белка на рибосомах. Так, кортизол и эстрогены стимулируют синтез белка главным образом на стадии транскрипции (их эффекты можно предотвратить актиномицином D, который необратимо связывается с ДНК). Стимулирующий синтез белка эффект других гормонов блокируется пуро- мицином, который ингибирует стадию трансляции. Трансляционные эффекты гормонов могут определяться ускорением связывания аминокислот молекулами тРНК. Не исключено влияние проникающих в клетку гормонов на стабилизацию и “процессинг” молекул мРНК, а также на синтез рибо- сомной РНК.

3.