Нарушение обменных процессов при сахарном диабете

Реакцию сети метаболических процессов на нарушение работы одного из её звеньев можно проследить на примере сахарного диабета. Повидимому,главной причиной изменений в ходе обменных процессов при сахарном диабете является нарушение поступления глкозы в клетки инсулинзависимых тканей или в результате недостаточного содержания инсулина в крови, или в результате снижения количества рецепторов для инсулина в наружных клеточных мембраннах.

Первичной реакцией организма на снижение содержания глюкозы в клетках является повышение её концентрации в крови с тем, чтобы за счет увеличения градиента концентрации глюкозы увеличить поступление этого моносахарида в клетки. Но для этого необходимы дополнительные количества глюкозы, которые организм получает, вопервых, за счет потребления дополнительных количеств пищи, а, вовторых, за счет активации глюконеогенеза, причем субстратом для глюконеогенеза служат в основном аминокислоты. Недостаток инсулина способствует интенсификации глюконеогенеза, так как в норме инсулин угнетает этот процесс. Активация глюконеогенеза из аминокислот приводит к образованию дополнительнвх количеств аммиака в организме, следствием чего является увеличение синтеза мочевины в печени и увеличение её содержания в крови и в моче. Нарастание концентрации глюкозы в крови, сопровождающееся также увеличением содержанием мочевины в крови, приводит к повышению осмотического давления крови, что сопровождается формированием чувства жажды. Кстати, снижение содержания глюкозы в клетках, несмотря на её высокую концентрацию в крови, приводит к развитию постоянного чувства голода. И чувство постоянной жажды, и чувство постоянного голода являются характерными симптомами сахарного диабета.

Однако повышение концентрации глюкозы в крови не способно полностью заменить работу механизмов, ответственных за инсулинзависимый транспорт глюкозы в клетки. Поэтому организм вынужден искать другие питательные вещества, которые бы могли выступать в роли «энергетического топлива» для лишенных глюкозы клеток. Ими могли бы быть высшие жирные кислоты, но из огранничений в транспорте высших жирных кислот через гидрофильную межклеточную среду они не могут в полной мере возместить недостаточное поступление в клетки глюкозы, хотя их содержание в крови при сахарном диабете значительно возрастает.

Выходом из этого положения служит преобразование высших жирных кислот в ацетоновые тела в печени с последующим переносом ацетоновых тел в периферические органы и ткани кровью. Следствиями этой активации липолиза и синтеза ацетоновых тел являются повышение содержания ЛПОНП и холестерола в крови. Жирные кислоты, поступающие из крови в гепатоциты лишь частично идут на синтез ацетоновых тел, вторая их часть включается в триглицериды, которые в составе ЛПОНП эвакуируются из печени. В печени больных сахарных диабетом изза избыточного синтеза триглицеридов практически всегда имеются выраженные в той или иной степени признаки жировой дистрофии. Содержание холестерола в крови повышается как в результате повышения содержания в ней ЛПОНП и ЛПНП, так и за счет активации синтеза холестерола в гепатоцитах, поскольку начальные этапы синтеза ацетоновых тел, образование которых резко усиливается при диабете, и холестерола одинаковы.

При поступлении в кровь больших количеств ацетоновых тел часть их не успевает окисляться в клетках периферических тканей, в результате их содержание в крови возрастает. А нарастание их содержания в крови, вопервых, увеличивает осмотическое давление крови, вовторых, приводит к развитию кетонемии с явлениями кетоацидоза, компенсированного или декомпенсированного. Декомпенсированный кетоацидоз является крайне тяжелым состоянием, поскольку сдвиг рН в кислую сторону на единицу несовместим с жизнью. Причина дезорганизация работы ферментных систем клеток, «настроенных» на работу при вполне определенном и постоянном значении рН.

Накопление ацетоновых тел в крови, сочетающиеся с повышением содержания в ней глюкозы и мочевины, приводит к повышению осмотического давления крови и внеклеточной жидкости, что в свою очередь приводит к дегидратации клеток. Известно, что потеря 10 15% внутриклеточной воды может привести к смерти. Развитию эффекта дегидратации способствует повышение осмотического давления мочи, содеожащей избыточное количество мочевины, ацетоновых тел и глюкозы.

В целом, при развитии сахарного диабета нарушается работа многих звеньев метаболической сети, в соответствиис чем и лечебные мероприятия с биохимической точки зрения должны носить многоплановый характер. В первую очередь должен быть устранен дефицит инсулина в организме. Но одного этого недостаточно даже при инсулинзависимом сахарном диабете. Абсолютно необходимы мероприятия, направленные на нормализацию рН крови и тканей, и мероприятия по ликвидации дегидратации тканей.

РАЗДЕЛ: РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

Лекция 2

(с) проф. Е.И.Кононов

2.1.Общее представление о регуляции обмена веществ на уровне организма

Тело человека состоит из огромного количества клеток, объединенных в более сложные структуры ткани и органы, которые в свою очередь объединены в еще более сложную систему, которую мы и именуем организм. Функционирование этой сложнейшей системы возможно лишь при эффективной работе регуляторной системы, задачами которой являются:

а) объединение всех клеток организма в целостную систему;

б) адаптация организма к изменениям условий внешней среды;

в) создание возможностей для дифференцированных изменений

функциональной активности отдельных органов и тканей.

Эти задачи интеграции, дифференциации и адаптации решаются в организме единой нейрогуморальной системой регуляции, которую мы часто и весьма произвольно делим на нервную систему регуляции и на гуморальную систему регуляции. Нервную систему обычно рассматривают как регуляторную систему с жесткой структурой проведения электрохимических регуляторных сигналов, тогда как гуморальная система в качестве регуляторных сигналов использует различные молекулы, выделяемое клетками и транспортируемые через жидкие среды организма, оказывающими воздействие или на прилежащие клетки, или на клетки органов или тканей, достаточно удаленных от места выделения регуляторных молекул. Следует лишь иметь ввиду, что регуляторные эффекты нервной и гуморальной систем часто взаимодействую друг с другом, дополняя и даже перекрывая одна другую, тем самым достигается большая надежность работы единой регуляторной системы. Мы будем рассматривать лишь гуморальную систему регуляции.

Гуморальную систему регуляции делят на эндокринную и пара кринную. При функционировании эндокринной системы регуляторные молекулы синтезируются в клетках специализированных органов желез внутренней секреции, поступают в кровь, переносятся кровью в другие ткани и органы, где и оказывают свое специфическое действие.

Эти регуляторные молекулы принято называть гормонами. При работе паракринной системы регуляторные молекулы синтезируются клетками и, поступая в межклеточную фазу, воздействуют на близлежащие клетки той же самой ткани. Эти регуляторные молекулы часто называют тканевыми гормонами или местными гормонами. Безусловно, все разнообразие регуляторных молекул трудно подогнать под два эти определения, поэтому часто все молекулы, принимающие участие в передаче регуляторных сигналов между клетками, называют сигнальными молекулами. Например, инсулин и кортизол являются типичными гормонами, а простагландины и тромбоксаны являются тканевыми гормонами, но и те и другие относятся к сигнальным молекулам.

Основное внимание мы будем уделять функционированию эндокринной системы. Итак, гормоны, это сигнальные молекулы, синтезируемые в клетках желез внутренней секреции, поступающие в кровеносную или в лимфатическую систему и оказывающие регуляторный эффект на клетки других органов и тканей. Гормонам присущи следующие общие свойства:

а). Высокая биологическая активность гормоны оказывают регуляторный эффект в наномолярных и даже в пикомолярных концентрациях (109 1012 М).

б). Высокая специфичность действия: вопервых, для каждого гормона характерен свой регуляторный эффект, вовторых, отсутствие гормона не может быть заменено в организме никакой комбинацией любых других гормонов.

г).Дистантность действия, под которой понимают их способность оказывать регуляторный эффект в органах, удаленных от места синтеза гормонов, в связи с чем для эффективной работы гормонов важное значение имеет состояние механизмов их транспорта.

2.2.Классификация гормонов

Существует несколько вариантов классификации гормонов в зависимости от того или иного признака, взятого за основу классификации. Так, существует классификация гормонов по месту их образования в организме. С этой точки зрения гормоны делятся на гормоны гипоталамуса, гормоны гипофиза, гормоны щитовидной железы, гормоны коры надпочечников, гормоны поджелудочной железы и т.д.

В основу второго варианта классификации заложена химическая природа гормонов. По химической природе гормоны делятся на 4 класса:

1. Гормоны белковой природы, причем в этом классе можно выделить два подкласса: а) гормоны простые белки (инсулин, соматотропин); б) гормоны сложные белки (тиреотропный гормон, гонадотропные гормоны), по химической природе они представляют собой гликопротеиды).

2. Гормоны полипептиды (либерины и статины гипоталамуса, вазопрессин и окситоцин, глюкагон, кортикотропин).

3. Гормоны производные аминокислот (мелатонин, адреналин, иодированые тиронины).

4. Гормоны стероидной природы (кортизол, альдостерон, прогестерон, эстрадиол, тестостерон).

Наконец, существует классификация гормонов по их функциональной роли. По этому признаку гормоны делят на классы:

1. Гормоны, регулирующие в организме обмен углеводов, липидов и белков (инсулин, глюкагон, адреналин, кортизол, тироксин, соматотропин).

2. Гормоны, регулирующие водносолевой обмен (вазопрессин, альдостерон).

3. Гормоны, регулирующие фосфорнокальциевый обмен (паратгормон, кальцитонин, кальцитриол).

4. Гормоны, регулирующие репродуктивные функции (гонадотропные гормоны, прогестерон, эстрадиол, тестостерон).

5. Гормоны, регулирующие деятельность желез внутренней секреции (статины и либерины гипоталамуса, тиреотропный гормон, кортикотропный гомон).

2.3.Общая система гормональной регуляции

метаболизма

Большинство желез эндокринной системы организма объединены в общую регуляторную систему, высшим центром которой является ги поталамус. Ключевая роль гипоталамуса в эндокринной регуляции ме таболизма определяется двумя моментами: вопервых, именно гипота ламус, главным образом, опосредованно, через гипофиз контролирует деятельность большинства остальных желез внутренней секреции; вовторых, гипоталамус, являясь частью центральной нервной системы, служит центром, осуществляющим объединение нервной и эндокринной регуляции функций организма.

В ядрах гипоталамуса синтезируются гормоны, являющиеся по своей химической природе полипептидами. Гормоны гипоталамуса поступают в переднюю долю гипофиза через специальную портальную систему, где регулируют главным образом выделение в кровь гипофизарных гормонов. Эти гормоны гипоталамуса делятся на три группы. Первую группу составляют гормоны, стимулирующие выделение гормонов гипофиза в кровяное русло, они получили название рилизинггормонов или либеринов. Вторая группа гормонов гипоталамуса ингибирует выделение гормонов гипофиза в кровь, их обычно именуют статинами. К настоящему времени выделены следующие гормоны гипоталамуса, относящиеся к двум указанным группам:

а). Рилизинггормоны (либерины)

1. Тиролиберин (ТРГ) стимулирует выделение тиреотропного гормона (ТТГ) гипофиза.

2. Кортиколиберин (КРГ) стимулирует выделение адренокортикотропного гормона (АКТГ) гипофиза.

3. Гонадолиберин (ГнРГ) стимулирует выделение лютеинизирующего (ЛГ) и фолликулстимулирующего (ФСГ) гормонов гипофиза.

4. Соматолиберин (СТГРГ) стимулирует выделение соматотропного гормона (СТГ) гипофиза.

Предполагается также существование в гипоталамусе пролактолиберина (ПРЛРГ) и либерина меланоцитстимулирующего гормона (МСГРГ), однако до настоящего времени получить их в высокоочищенном виде не удалось.

б). Статины

1. Соматостатин (СС), ингибирующий выделение СТГ из гипофиза;

кроме того, он ингибирует выделение ТТГ.

2. Гонадолиберинассоциированный пептид (ГАП), ингибирующий выделение пролактина (ПРЛ) из гипофиза; кроме того, выделение ПРЛ сильно ингибируется дофамином. Иногда ГАП и дофамин объединяют под названием пролактинингибирующие гормоны (ПИГ).

Предполагается также существование меланостатина (МСГС), однако его существование не было подтверждено.

Третью группу гормонов гипоталамуса составляю два гормона окситоцин и вазопрессин, которые, синтезируясь в гипоталамусе, поступают в заднюю долю гипофиза, где временно накапливаются, а затем поступают в кровяное русло.

Вторым уровнем системы гормональной регуляции является гипофиз. Гормоны гипофиза также можно разделить на три группы. Первую группу составляют гормоны передней доли гипофиза, стимулирующие деятельность периферических желез внутренней секреции. К ним относятся:

1. ТТГ, стимулирующий синтез тетраиодтиронина (Т4) и трииодтиронина (Т3) в щитовидной железе.

2. АКТГ, стимулирующий синтез глюкокортикоидов корой надпочечников.

3. ЛГ и ФСГ, стимулирующих синтез половых гормонов в семенниках и яичниках.

К второй группе гормонов гипофиза относятся гормоны, воздействующие на клетки различных органов и тканей: СТГ, ПРЛ, МСГ, bлипотропный гормон (bЛПГ).

Третью группу гормонов составляют вазопрессин и окситоцин, которые, как уже упоминалось, синтезируются в ядрах гипоталамуса, но поступают в заднюю долю гипофиза, откуда поступают в кровяное русло. Эти два гормона также оказывают свое действие на клетки различных органов и тканей.

Наконец, третий уровень системы гормональной регуляции образуют периферические железы внутренней секреции, выделяющие различные гормоны, оказывающие регуляторные действие на уровне клеток различных органов и тканей.

В описанную систему не включены такие железы внутренней секреции как поджелудочная железа, мозговое вещество надпочечников, тимус и эпифиз. Однако это вовсе не значит, что перечисленные железы абсолютно автономны. Так, было сообщение о выделении из ткани гипофиза полипептида, стимулирующий выделение инсулина bклетками поджелудочной железы; на выделение инсулина поджелудочной железы также оказывает влияние нейромедиатор ацетилхолин, а выделение адреналина мозговым веществом надпочечников контролируется волокнами чревного нерва.

Изменение Изменение Изменение Изменение Изменение

скорости скорости скорости активности проницаемости

репликации транскрипции трансляции ферментов мембран

2.4. Регуляция содержания гормонов в крови

Содержание гормонов в крови регулируется с помощью различных механизмов. Наиболее часто встречающийся вариант это регуляция по принципу отрицательной обратной связи, когда повышение в крови концентрации какоголибо гормона приводит к торможению его синтеза, причем в реализации петли обратной связи может быть задействовано несколько желез внутренней секреции. Эта схема регуляции наиболее часто встречается в системе гипоталамус ДД> гипофиз ДД> периферическая железа внутренней секреции.

В гипоталамусе синтезируется рилизинггормон, который, воздействуя на гипофиз, стимулирует выделение в кровь тропного гормона. Тропный гормон гипофиза, в свою очередь, стимулирует синтез в периферической железе ее гормона. В результате срабатывания подобной цепи в крови повышается уровень того или иного гормона периферической железы внутренней секреции, воздействующего на клетки мишени различных органов и тканей.

Повышение содержания в крови гормона периферической эндокринной железы оказывает ингибирующее действие на всю систему путем торможения синтеза рилизинггормона в гипоталамусе, и тропного гормона в гипофизе. Стимулирующий сигнал выключается и в периферической железе внутренней секреции снижается продукцию своего гормона, а его постоянно идущая инактивация приводит к падению содержания гормона в крови. Этот регуляторный механизм известен под названием «длинная петля отрицательной обратной связи».

Тропный гормон гипофиза, выделение которого в кровь стимулируется рилизинггормоном гипоталамуса, также может оказывать ингибирующее действие на синтез рилизинггормона в гипоталамусе, что в конечном итоге приводит к затуханию стимулирующего сигнала в системе. Этот механизм получил название «короткая петля отрицательной обратной связи». Оба эти механизма представлены на следующей далее схеме:

_

В организме существуют также регуляторные метаболитногормональные обратные связи. В этих случаях на выделение гормона той или иной железой внутренней секреции оказывает регулирующее воздействие уровень какоголибо метаболита, содержание которого в крови находится под контролем этого гормона. Два типичных примера: глюкагон повышает содержание глюкозы в крови, в то же время высокий уровень глюкозы в крови ингибирует выделение глюкагона aклетками поджелудочной железы; паратгормон вызывает повышение содержания Са2+ в плазме крови, однако высокий уровень Са2+ в плазме крови ингибирует выделение паратгормона из паращитовидных желез.

2.5. Клеткимишени и рецепторы гормонов

Общее количество клеток в организме взрослого человека составляет по оценочным данным величину порядка 75 триллионов, причем насчитывается около 200 типов дифференцированных клеток. Лишь немногие из дифференцированных клеток способны продуцировать гормоны, но клетки практически все типов находятся под контролем тех или иных гормонов. Клетки, способные тем или иным образом отвечать на воздействие какоголибо гормона, получили название клеток мишеней для данного гормона. В свою очередь, органы или ткани, в которых воздействие гормона вызывает специфическую биохимическую или физиологическую реакцию, получили название органы мишени или тканимишени для данного гормона. Следует лишь иметь в виду, что та или иная ткань обычно содержит несколько типов дифференцированных клеток и далеко не все они реагируют на воздействие конкретного гормона. Так, на воздействие тиреотропного гормона в его органемишени щитовидной железе реагируют тироциты, тогда как другие варианты дифференцированных клеток, имеющихся в железе, на ТТГ не реагируют. С другой стороны, гормоны также различаются по широте спектра клеток, на которые они оказывают свое регулирующее действие. Например, bМСГ действует преимущественно на меланоциты, стимулируя в них синтез меланина, тогда как инсулин воздействует на многие типы клеток, увеличивая, например, проницаемость их наружных мембран для глюкозы.

Для того, чтобы клетка реагировала на появление в окружающий ее среде гормона или другой сигнальной молекулы, она должна иметь в своем составе специализированные структуры, способные распознавать эти сигнальные молекулы. Такими специализированными структурами являются клеточные рецепторы. По химической природе клеточные рецепторы представляют собой сложные белки гликопротеиды, имеющие в своей структуре специализированные функциональные центры, способные к избирательному взаимодействию с той или иной сигнальной молекулой.

Избирательность взаимодействия рецептора с гормоном (или другой сигнальной молекулой) базируется на комплементарности поверхности центра связывания гормона и поверхности гормона или отдельного его участка. Это связывание осуществляется за счет слабых взаимодействий: электростатического или гидрофобного и поэтому обратимо.

Для рецепторов характерны три общих свойства: вопервых, высокая специфичность взаимодействия рецепторов с «своими» сигнальными молекулами (высокая аффинность связывания), позволяющая отбирать для взаимодействия нужные молекулы из их многочисленного окружения; вовторых, высокая чувствительность, позволяющая улавливать в окружающей среде «свои» сигнальные молекулы в концентрациях порядка нано или даже пикомолей; в третьих, насыщаемость связывания сигнальных молекул, обусловленная ограниченным количеством молекулрецепторов в составе клетки.

Все рецепторы являются полидоменными белками. На одном из доменов располагается центр связывания сигнальной молекулы это так называемый домен узнавания. Кроме домена узнавания в составе рецепторов всегда имеется домен, отвечающий за запуск внутриклеточных механизмов, обеспечивающих ответ клетки на внешний регуляторный сигнал это так называемый домен сопряжения. Взаимодействие центра связывания рецептора с своей сигнальной молекулой, например с гормоном, изменяет конформацию домена узнавания, волна конформационных изменений захватывает и домен сопряжения, что приводит к «активации» рецептора и включению внутриклеточных механизмов реализации внешнего регуляторного сигнала.

Каждая клетка имеет в своем составе несколько различных рецепторов, поэтому она может реагировать на воздействие различных сигнальных молекул, включая и различные гормоны. Набор рецепторов у каждого типа дифференцированных клеток индивидуален, поэтому каждый тип клеток реагирует лишь на определенный круг сигнальных молекул. Рецепторы для одной и той же сигнальной молекулы у клеток разного типа могут быть различными, поэтому один и тот же гормон может вызывать в различных клетках разный ответ. Наконец, для реализации внешних регуляторных сигналов, воспринимаемых с помощью различных рецепторов, могут использоваться общие внутриклеточные механизмы и в таком случае клетка будет отвечать в какойто мере одинаково на воздействие разных сигнальных молекул. В результате действия перечисленных факторов складывается сложнейшая мозаика функционирования регуляторных систем в многоклеточных организмах.

2.6. Механизм действия гормонов и других сигнальных молекул

Гормоны, как и другие сигнальные молекулы, воздействуют на клетки, корректируя в них ход обменных процессов. Эта коррекция метаболизма может базироваться на изменении количества различных белков в клетке: структурных белков, белковферментов или транспортных белков, или же на изменении функциональной активности клеточных белков, в особенности на изменениях эффективности катализа и трансмембранного переноса различных веществ.

Механизм действия гормонов в значительной мере зависит от физикохимических свойств молекул гормонов. Гормоны белковой природы, гормоныпептиды, гормоныпроизводные аминокислот за исключением иодированных тиронинов, как и родственные по химической природе другие сигнальные молекулы, обладая гидрофильными свойствами, не способны проникать через наружные мембраны клеток. Рецепторы этих биорегуляторов локализованы на внешней стороне наружной клеточной мембраны, поэтому требуется специальный механизм, обеспечивающий трансформацию внеклеточного регуляторного сигнала в сигнал внутриклеточный. Как правило, это связано с синтезом в клетке соединений, выступающих в качестве внутриклеточных мессенджеров или «вторых вестников», обеспечивающих формирование метаболического ответа клеток на внешний регуляторный сигнал.

Гормоны стероидной природы и иодированные тиронины, имеющие гидрофобные свойства, могут проникать через наружную мембрану внутрь клеток и, связываясь со своими рецепторами в цитозоле или ядре, сами участвуют в формировании метаболического ответа клеток на внешний регуляторный сигнал, в связи с чем эти биорегуляторы не нуждаются в посредниках типа «вторых вестников».

Регуляторный эффект гормонов первой группы базируется в первую очередь на изменении функциональной активности уже имеющихся в клетке белков, тогда как в основе регуляторных эффектов гормонов стероидов и иодированных тиронинов в первую очередь лежит изменение эффективности экспрессии генов и на этой основе изменение количества белков в клетке. Безусловно, при воздействии гормоновбелков, гормоновпептидов и гормоновпроизводных аминокислот также может происходить изменение эффективности экспрессии генов, но это результат воздействия на геном клеток модифицированных белковрегуляторов, структура которых обычно изменяется при опосредованном участии внутриклеточных мессенджеров.

2.6.1. Механизм действия гормонов, рецепторы которых локализованы в цитозоле или ядре (Цитозольный механизм действия)

К сигнальным молекулам, рецепторы которых расположены в цитозоле или даже в ядре клеток относятся, вопервых, гормоны стероидной природы, такие как кортизол, альдостерон, тестостерон или эстрадиол, вовторых, гормоны щитовидной железы иодированные тиронины: трииодтиронин (Т3) и тетраиодтиронин (Т4 или тироксин), в третьих, кальцитриол и, четвертых, ретиноевая кислота производное витамина А. Молекулы этих соединений гидрофобны и поэтому могут свободно проникать через наружную клеточную мембрану в цитозоль клетки. Не исключено, однако, что процесс проникновения этих гормонов в клетку более сложен, чем до сих пор предполагалось. По крайней мере, для кортизола было показано наличие в наружной клеточной мембране специального белка переносчика, осуществляющего «снятие» кортизола с белка транскортина, ответственного за перенос этого гормона плазмой крови, и перемещение молекулы гормона через наружную клеточную мембрану.

Стероидные гормоны, поступив в цитозоль, взаимодействуют там со своими рецепторами. Рецепторы представляют собой полидоменные белкигликопротеиды, имеющие в своем составе около 800 аминокислотных остатков. В рецепторе для любого стероидного гормона имеется три домена: Сконцевой домен имеет в своей структуре центр, обеспечивающий высокоспецифичное связывание конкретного стероидного гормона; центральный домен, обеспечивающий связывание рецептора со специфическим участком ДНК в регуляторной зоне того или иного гена; Nконцевой домен, обеспечивающий активацию или торможение транскрипции соответствующего гена. В клетках содержится до 10 000 молекул белковрецепторов для каждого стероидного гормона (это около 0,01% от общего количества белков в клетке). В отсутствии гормона с центральным ДНКсвязывающим доменом рецептора связан специальный белокингибитор, препятствующий проникновению рецептора в ядро через поры в ядерной мембране.

Связывание гормона с Сконцевым доменом рецептора приводит к изменению конформации всей молекулы белкарецептора, причем белокингибитор покидает рецептор, освобождая таким образом его центральный домен. Это взаимодействие рецептора с гормоном получило название «активация рецептора». Образовавшиеся гормонрецепторные комплексы поступают в ядро, где и взаимодействуют с гормончувствительными сайтами в различных частях ДНК. Как уже упоминалось, за специфичность этих взаимодействии отвечает центральный домен активированного рецептора. Принято считать, что гормонрецепторные комплексы взаимодействуют с генами в районе транскрипционных энхансеров, а Nконцевые домены этих комплексов принимают непосредственное участие в регуляции эффективности транскрипции соответствующих генов, активируя или ингибируя эти процессы.

Ответ клетки на воздействие стероидного гормона часто двухстадийный. На первом этапе под прямым влиянием гормонрецепторных комплексов изменяется эффективность транскрипции небольшого количества генов, ответственных за синтез в клетке немногих регуляторных белков так называемый «первичный ответ». На втором этапе синтезированные регуляторные белки в свою очередь изменяют эффективность транскрипции других генов, в результате чего в клетке изменяется количество белковферментов, белковпереносчиков, структурных белков, отвечающих за формирование метаболического ответа клетки на воздействие гормона «вторичный ответ». Например, при воздействии кортизола на гепатоциты на первом этапе в клетках изменяется содержание семи белков, причем содержание 6 из них увеличивается, а 1 уменьшается. На втором этапе изменяется содержание многих белковферментов, в том числе и ферментов, ответственных за подготовку аминокислот к использованию в глюконеогенезе, а также ферментов глюконеогенеза.

В разных типах клеток один и тот же гормон может вызвать различные метаболические ответы, хотя рецепторы в них имеют, повидимому, одинаковую структуру. Дело в том, что каждый ген в клетке находится под контролем сразу нескольких регуляторных белков, одним из которых и является активированный стероидом рецептор. Поскольку в клетках разных типов гены находится под контролем различных тканеспецифичных наборов белковрегуляторов, разные типы клеток и дают различный ответ на воздействие одного и того же гормона.

Принято считать, что и иодированные тиронины (Т3 и Т4) действуют по сходному механизму. По крайней мере, для них также было показано наличие белковрецепторов в цитозоле и ядре, взаимодействие гормонов с этими рецепторами, поступление образовавшихся гормонрецепторных комплексов в ядро и их взаимодействие с ДНК.

Мало разработан вопрос о возврате клетки в исходное состояние после воздействия гормонов этого типа. Безусловно, образовавшееся дополнительное количество белков может быть устранено за счет действия протеиназ. Однако вопрос о том, каким образом гормонрецепторный комплекс уходит с регуляторной зоны гена остается открытым.

2.6.2. Механизмы действия гормонов, рецепторы которых локализованы в наружной клеточной мембране (Мембранноцитозольный механизм действия)

Молекулы гормонов белковой природы, гормоновпептидов и гормоновпроизводных аминокислот, за исключением иодированных тиронинов, гидрофильны. Они легко растворимы в воде, но не растворимы в гидрофобной фазе, в связи с чем они без особых проблем переносятся током крови, но не могут проникать через мембраны клеток. Поэтому рецепторы таких гормонов локализованы в наружной клеточной мембране, причем гормонсвязывающий центр этих рецепторов расположен на внешней стороне мембраны и может взаимодействовать с гормоном, находящимся в жидкости, окружающей клетку. Безусловно, механизмы действия отдельных гормонов этой группы могут сильно различаться, тем не менее формирование ответа клетки на воздействие регуляторного сигнала начинается с образования гормонрецепторного комплекса на внешней стороне наружной клеточной мембраны, следствием чего является генерация внутриклеточного химического сигнала, изменяющего метаболизм клетки.

Рецепторы для гормонов этой группы можно разделить на 2 основных группы:

а. Рецепторы, сопряженные с Gбелками. б. Каталитические рецепторы.

На внешней стороне наружной клеточной мембраны локализованы также рецепторы, участвующие в передаче нервных импульсов через синапсы, так называемые каналообразующие рецепторы. Однако механизм действия нейромедиаторов к рассматриваемой проблеме прямого отношения не имеет и на нем мы останавливаться не будем.

2.6.2.1. Механизм действия гормонов, рецепторы которых сопряжены с Gбелками

Рецепторы гормонов этой группы в своей структуре имеют как минимум 2 домена. Один домен локализован на внешней стороне наружной клеточной мембраны и имеет в своей структуре гормонсвязывающий центр. Второй, сопрягающий домен расположен, повидимому, внутри наружной клеточной мембраны и имеет в своей структуре центр, ответственный за взаимодействие с одним из интегральных белков мембраны, получившим название Gбелка. В настоящее время известно несколько вариантов этих белков. Gбелки, или иначе ГТФсвязывающие белки,обеспечивают передачу регуляторного сигнала с рецептора после его взаимодействия с гормоном на один из ферментов, локализованных на внутренней стороне наружной клеточной мембраны. Изменение активности этих ферментов приводит к изменению концентрации в клетке соединений, ответственных за дальнейшее формирование метаболического ответа клетки на внешний регуляторный сигнал. Эти соединения известны под название внутриклеточных мессенджеров или вторых вестников, наиболее известными представителями которых являются цАМФ, цГМФ, ионы Са+, продукты расщепления инозитолфосфатидов инозитолтрифосфат и диацилглицерол.

а). Механизм действия гормонов, внутриклеточным мессенджером которых является цАМФ.

К гормонам, внутриклеточным мессенджером которых является цАМФ, относятся глюкагон, кортикотропин, вазопрессин, паратгормон, адреналин при его взаимодействии с bрецепторами клеток и др. После образования гормонрецепторного комплекса происходит изменение конформации его сопрягающего домена и последний приобретает способность к взаимодействию с локализованным в мембране Gs белком. Свободный Gsбелок связан с ГДФ и неактивен, в силу чего в свободном виде он не может взаимодействовать с ферментом аденилатциклазой, локализованной на внутренней стороне наружной клеточной мембраны. В ходе его взаимодействия с сопрягающим доменом гормонрецепторного комплекса конформация Gsбелка изменяется, он теряет ГДФ и связывает в том же участке ГТФ. В комплексе с ГТФ Gsбелок приобретает способность к взаимодействию с аденилатциклазой. При взаимодействии активированного ГТФ Gsбелка с аденилатциклазой фермент переходит в активную форму и начинает синтезировать в цитозоле цАМФ из АТФ.

цАМФ, синтезированный активированной аденилатциклазой, взаимодействует в клетке с ферментом цАМФзависимой протеинкиназой (или Акиназой), переводя фермент в активную форму. Неактивная Акиназа представляет собой тетрамер, состоящий из 2 каталитических и 2 регуляторных субъединиц; при взаимодействии с цАМФ происходит диссоциация комплекса на регуляторные субъединицы, связанные с цАМФ, и свободные каталитические субъединицы, обладающие способность фосфорилировать различные внутриклеточные белки по остаткам серина или треонина. Это фосфорилирование белков есть не что иное как их ковалентная модификация, сопровождающаяся изменением их функциональной активности: меняется каталитическая активность ферментов, изменяется способность транспортных белков переносить свои лиганды через мембраны, а фосфорилирование белков, участвующих в работе механизмов, отвечающих за экспрессию генов, приводит к изменению и количеств отдельных белков в клетке. За счет этих изменений и формируется метаболический ответ клетки на воздействие гормона.

Возврат клетки в исходное состояние обусловлен работой нескольких механизмов: вопервых, поскольку гормонрецепторный комплекс формируется за счет слабых взаимодействий, он легко диссоциирует, а свободный гормон быстро инактивируется; вовторых, Gsбелок сам обладает способностью гидролизовать ГТФ на ГДФ и неорганический фосфат. Поэтому через непродолжительное время, измеряемое 1015 секундами, активированный Gsбелок после гидролиза связанного с ним ГТФ переходит в неактивное состояние и теряет способность взаимодействовать с аденилатциклазой;в третьих, цАМф в клетке быстро расщепляется специальным ферментом фосфодиэстеразой, тем самым инактивируется Акиназа;в четвертых, в клетках имеется фермент (или ферменты) фосфопротеинфосфатаза, которая осуществляет дефосфорилирование белков, т.е. обеспечивает возврат функциональной активности клеточных белков к исходному уровню. Кстати, активность фосфопротеинфосфатазы ингибируется высоким уровнем цАМФ в клетке, поэтому при расщеплении цАМФ фосфодиэстеразой активность фосфопротеинфосфатазы увеличивается.

Следует отметить, что в наружных мембранах клеток могут присутствовать рецепторы, взаимодействие которых с соответствующим гормоном может сопровождаться снижением уровня цАМФ в клетке, ингибированием Акиназы и дефосфорилированием клеточных белков. Таким образом действует на клетки адреналин, через свои a2адренэргические рецепторы. В этом случае образовавшийся гормонрецепторный комплекс взаимодействует в мембране клетки с так называемым ингибиторным Gбелком (Giбелком). Активированный Giбелок взаимодействует с аденилатциклазой на внутренней стороне клеточной мембранны, блокируя активность фермента. Синтез цАМФ в клетке прекращается, а имеющаяся в клетке цАМФ расщепляется фосфодиэстеразой. В результате уровень цАМФ резко падает. Таким образом, один и тот же гормон адреналин в зависимости от типа рецепторов, имеющихся в наружной мембране клеток (a2адренэргические или bадренэргические рецепторы), может вызывать в клетках противоположные метаболические ответы.

б). Механизм действия гормонов, внутриклеточным мессенджером которых является цГМФ.

Существует семейство сигнальных молекулпептидов, выделяемых тканью предсердий это так называемые атриопептиды. Они стимулируют диурез и выделение ионов Na+ c мочой, они расширяют сосуды, они ингибируют секрецию альдостерона. Один из представителей этой группы сигнальных пептидов натрийуретический фактор предсердий, связываясь с рецепторами клетокмишеней, активирует мембранную гуанилатциклазу, что вызывает повышение концентрации цГМФ в клетки, образующейся из ГТФ. цГМФ, содержание которой в клетках может

увеличиваться в несколько десятков раз, активирует цГМФзависимую протеинкиназу (Gкиназу), которая в свою очередь фосфорилирует внутриклеточные белки, изменение активности которых и формирует ответ клетки на регуляторный сигнал. При прекращении действия регуляторного сигнала цГМФ расщепляется цГМФфосфодиэстеразой, что создает условия для возврата клетки в исходное состояние.

в) Механизм действия гормонов, внутриклеточными мессенджерами которых являются продукты распада инозитолфосфатидов и ионы Са2+ К настоящему времени известно более 20 сигнальных молекул, внутриклеточными мессенджерами которых выступают продукты расщепления инозитолфосфатидов. Примерами таких сигнальных молекул служат вазопрессин при его воздействии на гепатоциты; ангиотензин II и серотонин при их воздействии на клетки клубочковой зоны надпочечников; гормоны гипоталамуса ТРГ или ГнРГ, стимулирующие выделение гипофизом тиреотропного гормона и гонадотропных гормонов. Важную роль этот механизм играет также при формировании ответа гладкомышечных клеток на воздействие ацетилхолина или же в стимуляции секреции инсулина bклетками поджелудочной железы под воздействием того же ацетилхолина.

Образование комплексов сигнальных молекул с их рецепторами на внешней стороне наружной клеточной мембраны приводит к активации интегрального белка мембран, условно называемого Gpбелком. Далее этот белок взаимодействует с ферментом фосфоинозитидспецифической фосфолипазой С, локализованным на внутренней стороне мембраны. Активированная Gрбелком фосфолипаза С расщепляет имеющийся во внутренней половине бислоя клеточной мембраны инозитолфосфатид с образованием двух продуктов: инозитолтрифосфата (иначе фосфоинозитолбисфосфат, PIP2) и диацилглицерола. Оба этих соединения далее участвуют в формировании метаболического ответа клетки на воздействие сигнальной молекулы.

Инозитолтрифосфат связывается с рецепторами имеющихся в клетке Са2+связывающих вакуолей, что приводит к быстрому выходу ионов Са2+ из вакуолей в цитозоль и повышению его локальной конце нтрации в цитозоле с 107М до 106М. Увеличение концентрации ионов Са2+ в цитозоле приводит к активации многих внутриклеточных процессов как за счет непосредственного связывания Са2+ с внутриклеточными белками, так и за счет связывания Са2+ с кальмодулином и изменения функциональной активности внутриклеточных белков путем их взаимодействия с Са2+ кальмодулиновым комплексом. Таким образом, если инозитолтрифосфат в этой системе является вторым вестником, то ионы Са2+ можно рассматривать как третий вестник в механизме действия рассматриваемых сигнальных молекул.

Диацилглицерол, образовавшийся в результате гидролиза инозитолфосфатида, вместе с серинфосфатидом активируют в клетке фермент, получивший название протеинкиназаС или Скиназа. Этот фермент катализирует в клетке фосфорилирование белков по остаткам тирозина или треонина, которые в результате этой ковалентной модификации изменяют свою функциональную активность. Интересно, что активность Скиназы сильно зависит от присутствии в окружающей ее среде ионов Са2+. Отсюда, в активации Скиназы играют роль и взаимодействие фермента с диацилглицеролом, и повышение концентрации ионов Са2+ за счет эффекта фосфоинозитолбисфосфата.

Механизм возврата клетки в исходное состояние включает в себя следующие основные моменты: а) расщепление комплекса сигнальная молекуларецептор с последующей инактивацией сигнальной молекулы; б) инактивация Gpбелка за счет гидролиза связанной с ним ГТФ с последующей инактивацией фосфоинозитидспецифической фосфолипазы С; в) фосфоинозитолбисфосфат подвергается дефосфорилированию (иногда фосфорилируется в РIP3) c потерей своей биологической активности, а диацилглицерол или расщепляется до моноацилглицерола или фосфорилируется в фосфатидную кислоту в обоих случаях его биологическая активность исчезает; г) ионы Са2+ удаляются из цитозоля или в кальцийсвязывающие органеллы или, во внеклеточное пространство за счет действия кальциевых транспортных АТФаз; д) фосфорилированные Скиназой белки подвергаются дефосфорилированию за счет действия фосфопротеинфосфатаз.

В работе регуляторных механизмов, использующих в качестве вторых вестников цАМФ, цГМФ или продукты гидролиза инозитолфосфатидов, имеется один общий момент в системы включены механизмы усиления сигнала. Гормон или иная сигнальная молекула, соединяясь с рецептором, активирует фермент, генерирующий образование в клетке множества молекул, выполняющих роль второго вестника. В свою очередь второй вестник также активирует фермент, способный быстро изменять функциональную активность большого числа различных белковых молекул, непосредственно отвечающих за формирование метаболического ответа клеток.

2.6.2.2. Механизм действия гормонов, рецепторы которых обладают каталитической активностью

Рецепторы ряда сигнальных молекул, таких как инсулин, ИФР1, фактор роста эпидермиса (ФРЭ), тромбоцитарный фактор роста (ТФР) локализованы в наружных клеточных мембранах. Домен белкарецептора, связывающий ту или иную сигнальную молекулы, расположен на внешней стороне мембраны. Его второй домен, расположенный на внутренней стороне клеточной мембраны, обладает каталитической активностью. Оба домена связаны между собой участком полипептидной цепи, пронизывающим мембрану. Связывание рецептора с сигнальной молекулой приводит к изменению конформации рецептора и активации каталитического домена, который проявляет при этом протеинкиназную активность, причем фосфорилирует белки по остаткам тирозина. Высказано предположение, что фосфорилирование одного или нескольких внутриклеточных белков лежит в основе формирования метаболического ответа клетки на воздействие соответствующего биорегулятора, однако это предположение до настоящего времени не доказано. Интересно, что во всех изученных случаях рецептор, обладающий тирозинкиназной активностью, способен к аутофосфорилированию, однако опять же не установлено связи между эффектом аутофосфорилирования рецепторов с формированием метаболического ответа клетки.

После связывания лиганда многие каталитические рецепторы переходят внутрь клетки путем эндоцитоза в так называемых «окаймленных пузрьках». Возможно, таким путем происходит перенос домена, обладающего тирозинкиназной активностью, в новый участок клетки, что может иметь значение для формирования ответа клетки на воздействие сигнальной молекулы, но доказательств этого пока также не существует. Не исключено, что этот эндоцитозный захват лигандрецепторного комплекса просто играет определенную роль в разрушении сигнальных молекул или служит механизмом уменьшения числа рецепторов на поверхности клеток.

2.7. Механизмы регуляции чувствительности клеток к воздействию гормонов и других сигнальных молекул

Длительное воздействие на клетки молекул, являющихся внешними регуляторными сигналами, в особенности при их высокой концентрации, сопровождается снижением чувствительности клеток к этим биорегуляторам. Этот эффект получил название десенситизации (десенсибилизации) клеток, иногда используется термин «адаптация» клеток.

Десенситизация клеток к химическим сигналам может осуществляться с помощью различных механизмов, реализуемых или на уровне рецепторов, или на уровне пострецепторных механизмов формирования клеточного ответа.

При длительном воздействии на клетку гормонов белков, например, инсулина, или белковых факторов роста (ЭФР) часть гормонрецепторных комплексов подвергается эндоцитозному захвату, тем самым количество рецепторов на поверхности клеток уменьшается. В дальнейшем эти гормонрецепторные комплексы могут полностью разрушаться в лизосомах, однако в ряде случаев в эндосомах происходит диссоциация гормонрецепторного комплекса и высвобожденный рецептор может вновь поступать в мембрану. Тем не менее и в последнем случае часть времени рецептор находится внутри клеток и не взаимодействует с гормоном, циркулирующим во внеклеточной среде. Этот эффект известен под названием «секвестрация рецепторов».

Рецепторы в составе мембран могут подвергаться обратимой химической модификации, причем в модифицированной форме рецептор теряет способность взаимодействовать со своим лигандом сигнальной молекулой. Наиболее известным вариантом химической модификации рецепторов является их фосфорилирование, таким путем регулируется функция bадренэргических рецепторов. Но это не единственный способ изменения химической структуры рецепторов, обсуждается в качестве варианта десенситизации метилирование рецепторов.

Десенситизация клеток может быть связана с изменениями в структуре, а значит и в функционировании Gбелков. Так, было показано, что при длительном воздействии простагландина PGE1 на фибробласты, регуляторной эффект которого реализуется через аденилатциклазную систему с участием Gsбелков, клетки теряли чувствительность не только к PGE1, но и к другим сигнальным молекулам, эффект которых реализуется с участием Gsбелков. Проведенные исследования показали, что в данном случае десенситизация фибробластов связана с изменениями в Gsбелках. Высказано предположение что суть этих изменений заключается в их фосфорилировании, хотя нельзя исключить и других вариантов их химической модификации.

Вероятно, в клетках существуют и другие механизмы, обеспечивающие их десенситизацию, функционирующие в клетках на более поздних этапах формирования метаболического ответа; по крайней мере они уже обнаружены в бактериальных клетках.

ГОРМОНЫ, РЕГУЛИРУЮЩИЕ БЕЛКОВЫЙ, УГЛЕВОДНЫЙ И ЛИПИДНЫЙ

ОБМЕН: СОМАТОТРОПИН, АДРЕНАЛИН, ТИРОКСИН, ГЛЮКАГОН, ИНСУЛИН,

КОРТИЗОЛ.

Дата добавления: 2015-01-03