Биологическая химия - часть 71

В данной главе описаны не все известные к настоящему времени

гормональные вещества. Так, в шишковидной железе (эпифизе) из амино-

кислоты триптофана синтезируется интересный, но мало изученный гормон

мелатонин. Более 20 биологически активных гормонов выделены из пище-

варительного тракта. Наиболее изученными из них являются гастрин

I и гастрин II (17 и 14 аминокислотных остатков соответственно), регули-

рующие секрецию желудочного сока; прогастрин (34 АМК), считающийся

циркулирующей в крови формой прогормона и превращающийся в актив-

ный гастрин I в клетках органа-мишени, а также глюкагон и секретин (27

АМК) (последний был первым веществом, идентифицированным в качестве

гормона). В слизистой оболочке кишечника синтезируется, кроме того,

соматостатин. Высказано предположение, что интерстициальные сомато-

статин и глюкагон регулируют секрецию гормонов, синтезируемых соответ-

ственно в гипоталамусе и поджелудочной железе. Сведения о других

гормонах, включая растительные гормоны, частично можно найти в главах

12, 17 или в специальной литературе.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ
ГОРМОНАЛЬНОГО СИГНАЛА

В этой главе были рассмотрены химическое строение большинства извест-

ных гормонов и других биологически активных гормоноподобных веществ,

а также клиническая картина недостаточности или гиперпродукции. В ряде

случаев приведены биологические эффекты гормонов без детального рас-

смотрения механизмов регуляции метаболизма. Несмотря на огромное

разнообразие гормонов и гормоноподобных веществ, в основе биологиче-

ского действия большинства гормонов лежат удивительно сходные, почти

одинаковые фундаментальные механизмы, передающие информацию от

одних клеток к другим. Далее будут представлены примеры механизмов

действия гормонов пептидной (включая производные аминокислот) и сте-

роидной природы. В современных представлениях о тонких молекулярных

механизмах биологического действия большинства гормонов огромную

роль сыграли исследования Э. Сазерленда и открытие циклического адено-

зинмонофосфата (см. далее).

Известно, что направленность и тонкая регуляция процесса передачи

информации обеспечиваются прежде всего наличием на поверхности клеток

рецепторных молекул (чаще всего белков), узнающих гормональный сигнал

(см. Рецепторы инсулина). Этот сигнал рецепторы трансформируют в изме-

нение концентраций внутриклеточных посредников, получивших название

вторичных мессенджеров, уровень которых определяется активностью фер-

ментов, катализирующих их биосинтез и распад.

По своей химической природе рецепторы почти всех биологически

активных веществ оказались гликопротеинами, причем «узнающий» домен

(участок) рецептора направлен в сторону межклеточного пространства, в то

время как участок, ответственный за сопряжение рецептора с эффекторной

системой (с ферментом, в частности), находится внутри (в толще) плазмати-

ческой мембраны. Общим свойством всех рецепторов является их высокая

специфичность по отношению к одному определенному гормону (с конс-

тантой сродства от 0,1 до 10 нМ). Известно также, что сопряжение

рецептора с эффекторными системами осуществляется через так называе-

мый G-белок, функция которого заключается в обеспечении многократ-

ного проведения гормонального сигнала на уровне плазматической мемб-

289

раны. G-белок в активированной форме стимулирует через аденилатцик-

лазу синтез циклического АМФ, который запускает каскадный механизм

активирования внутриклеточных белков.

Общим фундаментальным механизмом, посредством которого реализу-

ются биологические эффекты «вторичных» мессенджеров внутри клетки,

является процесс  ф о с ф о р и л и р о в а н и я – д е ф о с ф о р и л и р о в а н и я

белков при участии широкого разнообразия  п р о т е и н к и н а з , катализирую-

щих транспорт концевой группы от АТФ на ОН-группы серина и треонина,

а в ряде случаев – тирозина белков-мишеней. Процесс фосфорилирования

представляет собой важнейшую посттрансляционную химическую модифи-

кацию белковых молекул, коренным образом изменяющую как их структу-

ру, так и функции. В частности, он вызывает изменение структурных

свойств (ассоциацию или диссоциацию составляющих субъединиц), активи-

рование или ингибирование их каталитических свойств, в конечном итоге

определяя скорость химических реакций и в целом функциональную актив-

ность клеток.

Аденилатциклазная мессенджерная система

Наиболее изученным является  а д е н и л а т ц и к л а з н ы й  п у т ь передачи гор-

монального сигнала. В нем задействовано мимимум пять хорошо изучен-

ных белков: 1) рецептор гормона; 2) фермент аденилатциклаза, выполняю-

щая функцию синтеза циклического АМФ (цАМФ); 3) G-белок, осуществ-

ляющий связь между аденилатциклазой и рецептором; 4) цАМФ-зависимая

протеинкиназа, катализирующая фосфорилирование внутриклеточных фер-

ментов или белков-мишеней, соответственно изменяя их активность;

5) фосфодиэстераза, которая вызывает распад цАМФ и тем самым прекра-

щает (обрывает) действие сигнала (рис. 8.5).

Получены в чистом виде α- и β-адренергические рецепторы из плазмати-

ческих мембран клеток печени, мышц и жировой ткани. Показано, что

связывание гормона с β-адренергическим рецептором приводит к структур-

ным изменениям внутриклеточного домена рецептора, что в свою очередь

обеспечивает взаимодействие рецептора со вторым белком сигнального

пути – ГТФ-связывающим.

ГТФ-связывающий белок – G-белок – представляет собой смесь

2 типов белков: активного G

s

 (от англ. stimulatory G) и ингибиторного G

i

с мол. массой 80000–90000. В составе каждого из них имеется три разные

субъединицы (α-, β- и γ-), т.е. это гетеротримеры. Показано, что β-субъеди-

ницы G

s

 и G

i

 идентичны (мол. масса 35000); в то же время α-субъединицы,

являющиеся продуктами разных генов (мол. масса 45000 и 41000), оказа-

лись ответственными за проявление G-белком активаторной и ингибитор-

Рис. 8.5. Аденилатциклазный

путь передачи гормонально-

го сигнала.

Рец - рецептор; G - G-белок;

АЦ - аденилатциклаза.

290

Гормоны

Рец

G

АЦ

АТФ

цАМФ

ной активности соответственно. Гормонрецепторный комплекс сообщает

G-белку способность не только легко обменивать эндогенный связанный

ГДФ на ГТФ, но и переводить G

s

-белок в активированное состояние, при

этом активный G-белок диссоциирует в присутствии ионов Mg

2+

 на β-,

γ-субъединицы и комплекс α-субъединицы G

s

 в ГТФ-форме; этот активный

комплекс затем перемещается к молекуле аденилатциклазы и активирует ее.

Сам комплекс затем подвергается самоинактивации за счет энергии распада

ГТФ и реассоциации β- и γ-субъединиц с образованием первоначальной

ГДФ-формы G

s

.

А д е н и л а т ц и к л а з а представляет собой интегральный белок плазма-

тических мембран, его активный центр ориентирован в сторону цитоплаз-

мы и катализирует реакцию синтеза цАМФ из АТФ:

Каталитический компонент аденилатциклазы, выделенный из разных

тканей животных, представлен одним полипептидом с мол. массой 120000–

150000; в отсутствие G-белков он практически неактивен; содержит две

SH-группы, одна из которых вовлечена в сопряжение с G

s

-белком, а вторая

необходима для проявления каталитической активности. В молекуле фер-

мента имеется несколько аллостерических центров, через которые осущест-

вляется регуляция активности низкомолекулярными соединениями: ионами

Mg

2 +

, Mn

2 +

 и Са

2+

, аденозином и форсколином. Под действием фосфоди-

эстеразы цАМФ гидролизуется с образованием неактивного 5'-АМФ.

П р о т е и н к и н а з а – это внутриклеточный фермент, через который

цАМФ реализует свой эффект. Протеинкиназа может существовать в 2 фор-

мах. В отсутствие цАМФ Протеинкиназа представлена в виде тетрамерного

комплекса, состоящего из двух каталитических (С

2

) и двух регуляторных

(R

2

) субъединиц с мол. массами 49000 и 38000 соответственно; в этой

форме фермент неактивен. В присутствии цАМФ протеинкиназный комп-

лекс обратимо диссоциирует на одну R

2

-субъединицу и две свободные

каталитические субъединицы С; последние обладают ферментативной ак-

тивностью, катализируя фосфорилирование белков и ферментов, соответ-

ственно изменяя клеточную активность.

291

Неактивная

протеинкиназа

Диссоциирован-

ные активные

каталитические

субъединицы

Неактивные

регуляторные

субъединицы

Аденилат-

циклаза

PP

i

АТФ

3',5'-цАМФ

Фосфо-

диэстераза

5'-АМФ

цАМФ

цАМФ

С
С

R
R

С

С

R
R

Рис. 8.6. Ковалентная регуляция гликогенфосфорилазы.

Следует отметить, что в клетках открыт большой класс цАМФ-зависи-

мых протеинкиназ *, названных протеинкиназами А; они катализируют

перенос фосфатной группы на ОН-группы серина и треонина (так называ-

емые серин-треонин-киназы). Другой класс протеинкиназ, в частности

активируемый инсулиновым рецептором (см. ранее), действует только на

ОН-группу тирозина. Однако во всех случаях добавление высокозарядной

и объемной фосфатной группы вызывает не только конформационные

изменения фосфорилированных белков, но изменяет их активность или

кинетические свойства.

Активность многих ферментов регулируется цАМФ-зависимым фосфо-

рилированием, соответственно большинство гормонов белково-пептидной

природы активирует этот процесс. Однако ряд гормонов оказывает тормо-

зящий эффект на аденилатциклазу, соответственно снижая уровень цАМФ

и фосфорилирование белков. В частности, гормон соматостатин, соеди-

няясь со своим специфическим рецептором – и н г и б и т о р н ы м G-белком

( G

i

, являющимся структурным гомологом G

s

-белка (см. ранее), ингиби-

рует аденилатциклазу и синтез цАМФ, т.е. вызывает эффект, прямо

противоположный вызываемому адреналином и глюкагоном. В ряде орга-

нов простагландины (в частности, РGЕ

1

) также оказывают ингибиторный

эффект на аденилатциклазу, хотя в том же органе (в зависимости от типа

клеток) и тот же PGE

1

 может активировать синтез цАМФ.

Более подробно изучен механизм активирования и регуляции мышечной

гликогенфосфорилазы, активирующей распад гликогена. Выделяют 2 фор-

мы: каталитически активную – ф о с ф о р и л а з а а и неактивную – фосфо-

рилаза b. Обе фосфорилазы построены из двух идентичных субъединиц

(мол. массой 94500), в каждой остаток серина в положении 14 подвергается

процессу фосфорилирования–дефосфорилирования, соответственно акти-

вированию и инактивированию (рис. 8.6).

Под действием киназы фосфорилазы b, активность которой регулиру-

ется цАМФ-зависимой протеинкиназой, обе субъединицы молекулы неак-

тивной формы фосфорилазы b подвергаются ковалентному фосфорилиро-

ванию и превращаются в активную фосфорилазу а. Дефосфорилирование

последней под действием специфической  ф о с ф а т а з ы  ф о с ф о р и л а з ы

а приводит к инактивации фермента и возврату в исходное состояние.

В мышечной ткани открыты 3 типа регуляции гликогенфосфорилазы.

Первый тип – ковалентная регуляция, основанная на гормонзависимом

фосфорилировании–дефосфорилировании субъединиц фосфорилазы (см.

рис. 8.6).

* За открытие класса протеинкиназ и фосфатаз Э. Кребс (Edwin Krebs) и Э. Фишер

(Edmund Fischer) в 1992 г. были удостоены Нобелевской премии.

292

Киназа фосфо-

рилазы b

2АТФ 2АДФ

Фосфорилаза b

(неактивная)

2Р

i

2Н

2

O

Фосфорилаза а

(активная)