Каскадный механизм передачи гормональных сигналов. Концепция первого и второго посредников. Циклические нуклеотиды и кальций как вторичные посредники

Стероиды и другие липофильные гормоны легко проникают внутрь клеток через поверхностную мембрану, а все остальные гормоны или вообще не проходят через липидную фазу мембраны или проходят с трудом. Липофильные гормоны, по-видимому, прямо воздействуют на генетический аппарат клетки. Большинство же гидрофильных гормонов вызывает более быстрые и кратковременные реакции, влияя, как правило, на обмен веществ. Действие гормонов этой группы опосредуется через рецепторные молекулы на поверхности клеток-мишений и прекращается вскоре после их недолговременного взаимодействия. Взаимодействие гормона с рецептором ведет к запуску внутриклеточного каскадного механизма, усиливающего исходный сигнал. Каскадный механизм представляет собой последовательность биохимических реакций приводящих к образованию в цитозоле большого числа молекул внутриклеточного регулятора. В этой схеме гормон называют внеклеточным или первым посредником, а молекулу (или комплекс молекул) внутриклеточного регулятора, образующегося после взаимодействия гормона с рецептором, - внутриклеточным или вторым посредником. Таким образом, действие многих (главным образом, гидрофильных) гормонов зависит от образования в клетке-мишени второго (а иногда и третьего) посредника, который определяет реакцию внутриклеточных процессов на гормон. Благодаря каскадному усиливающему эффекту клетки-мишени чрезвычайно чувствительны к своему гормону. Некоторые из них реагируют на концентрацию гормонов в плазме крови равную всего 10^-12 М. Если бы наши вкусовые рецепторы обладали такой же чувствительностью к сахару, мы могли бы обнаруживать его присутствие в кофе или чае после растворения щепотки сахара в объеме равном плавательному бассейну.

Интересно, что при большом числе гормонов и гормональных эффектов для реализации последних требуется, по-видимому, очень мало посредников. У самых различных животных до последнего времени были известны только два совершенно разных типа вторых посредников. Один из них - это ионы кальция, которые как мы уже убедились, регулируют целый ряд физиологических функций. К другому типу вторых посредников относятся циклические монофосфаты нуклеотидов, главным образом циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) и очень сходный с ним циклический 3'5'-гуанозинмонофосфат (цГМФ). Недавно была открыта еще одна, более сложная система посредников, в которой участвуют фосфолипиды мембран.

Циклический АМФ синтезируется из АМФ ферментом аденилатциклазой (соответственно цГМФ из ГМФ гуанилатциклазой). При действии гуморальных сигналов концентрация в клетке цАМФ или цГМФ (обычно 10^{-6 М) должна а может за несколько секунд увеличиться в 5 раз. Многие гормоны и локальные химические медиаторы действуют на клетку, изменяя концентрацию цАМФ (цГМФ), причем они это делают, активируя (реже ингибируя) аденилатциклазу через рецепторы, сопряженные с G-белками. Таким образом, регуляторный GTP-связывающий белок может активировать либо определенные ионные каналы в случае химической передачи в нервной системе, либо фермент аденилатциклазу и повысить уровень циклических нуклеотидов.} Разные клетки-мишени, по-разному реагируют на изменение внутриклеточной концентрации цАМФ (цГМФ) и напротив, разные гормоны, если их взаимодействие со своими рецепторами приводит к активации аденилатциклазы в конкретной клетке, обычно будут вызывать одну и ту же реакцию. Например, в жировых клетках аденилатциклазу активируют по крайней мере четыре разных гормона (адреналин, глюкагон, АКТГ, СТГ), и все они вызывают расщепление триглицеридов (резервная форма жира) до жирных кислот. Таким образом различные рецепторы для этих гормонов активируют общий пул аденилатциклазы. Увеличение внутриклеточного уровня ц-АМФ активирует фермент протеинкиназу А. Этот фермент фосфорилирует неактивные белки ферменты, переводя их тем самым в активное состояние. Расщепляются (гидролизуются до соответствующих монофосфатов) циклические нуклеотиды ферментами цАМФ- и цГМФ-специфичными фосфодиэстеразами. Растительные алкалоиды из листьев чая и зерен кофе кофеин и теофиллин (группа метилксантинов) являются ингибиторами фосфодиэстераз и способны стимулировать обменные процессы, повышая внутриклеточную концентрацию циклических нуклеотидов.

Рис. Каскадный механизм внутриклеточной передачи гормонального сигнала с циклическими монофосфатами в качестве вторых посредников

В последние десятилетия ион Са²⁺ привлекает большое внимание как очень важный и вездесущий регулятор клеточных процессов, а также как один из посредников, связывающих внутриклеточные ответы с внешними сигналами, воспринимаемыми плазматической мембраной и ее рецепторами. Известно множество процессов, регулируемых или запускаемых повышением концентрации Са²⁺ в клетке: высвобождение нейромедиаторов в синапсах, мышечное сокращение, клеточное деление, различные реакции промежуточного обмена, окислительное фосфорилирование и репликацию ДНК.

Существуют два источника повышения концентрации кальция в цитозоле. Во многих клетках, в том числе мышечных волокнах, ионы кальция освобождаются при стимуляции из внутриклеточных депо, главным образом, из эндоплазматического (саркоплазматического) ретикулума. Второй путь повышения концентрации ионов кальция в цитоплазме - поступление их из внеклеточной среды через кальциевые каналы. Кальциевые каналы могут открываться при деполяризации мембраны (потенциалзависимые) или воздействии химических стимулов. При поступлении в клетку большая часть ионов кальция быстро связывается в цитозоле с анионными участками белковых молекул. Основную массу иммобилизованных (связанных) ионов кальция связывают молекулы, которые просто действуют как буферы, регулирующие концентрацию свободных ионов Са²⁺. Однако некоторые белки служат специфическими рецепторами этих ионов и активируются ими. Таковым, например является кальмодулин. Активированный комплекс Са²⁺-кальмодулин присоединяется к молекулам неактивных или малоактивных ферментов, что приводит к возрастанию активности последних. Известна, например, кальмодулин-зависимая фосфодиэстераза (ФДЭ 1) и ее активность можно заингибировать винпоцетином (кавинтон). Винпоцетин повышает концентрацию циклических нуклеотидов в гладкомышечных клетках сосудов и, благодаря этому, улучшает церебральную гемодинамику. Ионы кальция могут и прямо активировать некоторые ферменты, связываясь со специальными участками на молекулах ферментов и изменяя их конформацию, а следовательно и каталитические свойства. Среди прямых эффектов кальция большое значение имеет его влияние на активность связанного с клеточной мембранной фермента протеинкиназы С. Этот фермент, в свою очередь, фосфорилирует многочисленные белки-субстраты, стимулируя их ферментативную активность.