Основы биохимии - Филиппович Ю. Б. 1999

Гормоны и их роль в обмене веществ
Пептидные гормоны

Структура и функции пептидных гормонов. Сейчас известно несколько де­сятков природных пептидных гормонов, и список их постепенно пополняется.

Благодаря широкому использованию методов бурно развивающейся бел­ковой химии в последние годы ряд пептидных гормонов получен в го­могенном состоянии, изучен их аминокислотный состав, выяснена первичная (а в случае белковых гормонов — вторичная, третичная и четвертичная) струк­тура и некоторые из них приготовлены синтетическим путем. Более того, большие успехи, достигнутые в области химического синтеза пептидов, по­зволили искусственно получить множество пептидов, являющихся изомерами или аналогами-натуральных пептидов. Изучение гормональной активности последних принесло исключительно важную информацию о взаимосвязи структуры пептидных гормонов с их функцией. Примеры этого будут при­ведены ниже.

Важнейшими пептидными гормонами являются окситоцин, вазопрессин, гастрин, глюкагон, инсулин, адренокортикотропин, меланоцитостимулирующий гормон, паратгормон, тиреотропин и гормон роста. В последние годы открыто и изучено большое семейство нейрогормонов, опиоидных пептидов и рилизинг-факторов. Рассмотрим строение и функции перечисленных гор­монов.

Окситоцин — 9-членный пептид, выделенный В. дю-Виньо с сотр. из задней доли гипофиза. Этот же ученый в 1953 г. (одновременно с Г. Туппи) пред­ложил полную структурную формулу окситоцина:

Как видно из приведенной выше формулы, окситоцин содержит цикл, замыкающийся в результате возникновения дисульфидной связи между 1-м и 6-м остатками цистеина в его молекуле.    

Окситоцин уже через 20—30 с после внутривенного введения в ко­личестве всего лишь 1 мкг вызывает у рожениц сокращение мышечных волокон, расположенных вокруг альвеол молочных желез. Это приводит к выделению молока. Кроме того, по мере приближения родов усиливается чувствительность к окситоцину мышц матки, сокращающихся под его воздействием. Поэтому данный гормон способствует нормальному про­теканию родов.

Окситоцин синтезирован; создано также много его изомеров и аналогов. Это дало возможность детально выяснить значение каждого аминокислотного остатка и их сочетаний для функциональной активности гормона. Оказалось, что размыкание дисульфидного мостика в молекуле окситоцина сопровожда­ется полной его инактивацией. Важнейшее значение для биологического дей­ствия окситоцина имеет остаток амидированной аспарагиновой кислоты (по­ложение 5). Ацилирование амидных групп (в 4-м, 5-м и 9-м положениях) ведет к понижению активности окситоцина. Наличие свободной ОН-группы у оста­тка тирозина способствует проявлению полной физиологической активности. Устранение боковой цепи тирозина из состава окситоцина приводит к появле­нию у него способности ингибировать действие других гипофизарных гормо­нов. Замена изолейцина (положение 3) на лейцин, норлейцин, валин или аллоизолейцин убеждает в том, что боковая цепь изолейцина служит для специфической связи гормона с рецептором. Присоединение по свободной NH₂-гpyппe остатка цистеина (положение 1) других аминокислот или корот­ких пептидов приводит к удлинению срока действия гормона в организме по сравнению с контролем.

Вазопрессин — 9-членный пептид, выделенный тоже из задней доли гипо­физа. Заслуга в выяснении его структуры и разработке метода его синтеза принадлежит В. дю-Виньо (1953—1956). Строение вазопрессина весьма напо­минает структуру окситоцина (см. рис. 22 на с. 50).

Как можно легко заметить, за исключением позиций 3 и 8, структура вазопрессина полностью повторяет структуру окситоцина. Так построен вазо­прессин, выделенный из гипофиза человека, обезьяны, крупного рогатого скота, лошади, верблюда, овцы и собаки. В молекуле вазопрессина, получен­' ного из гипофиза свиньи, вместо остатка аргинина (8-е положение) располага­ется остаток лизина. Это свидетельствует о наличии видовой специфичности в строении вазопрессина.

Будучи сходен с окситоцином по структуре, вазопрессин, в известной мере, похож на него и по функциональной активности: он стимулирует сокращение гладких мышц сосудов. Однако указанная функция не является для вазопрес­сина главной. Основное действие его направлено на регуляцию водного об­мена. Вазопрессин обеспечивает должный уровень ресорбции воды в дисталь­ных канальцах почек у высших позвоночных, регулируя водный баланс ор­ганизма и осмотическое давление плазмы крови. Естественно, что он способен повышать кровяное давление, и это отражено в его названии.    

Гастрин — 17-членный пептид, выделяемый слизистой входной части желуд­ка. Его первичная структура расшифрована, и он получен синтетически:

Гастрин стимулирует секрецию желудочного сока. Его активность в 500 раз превышает в этом отношении активность ранее известного стимулятора соко­отделения — гистамина. Гастрин действует возбуждающим образом почти ис­ключительно на образование соляной кислоты и лишь в небольшой мере повышает выработку пепсина. Он способствует выделению секрета поджелу­дочной железы и усиливает тонус и сокращение мышц желудка и тонкого кишечника. Указанная специфическая гормональная активность гастрина поч­ти исключительно связана с наличием в его молекуле С-концевого тетрапеп­тида (14—17-й остатки).

Поскольку аналогичная ситуация воспроизводится у многих пептидных гормонов, а также белков с иной биологической активностью, огромный интерес представляет выяснение назначения остальной части полипептида, не участвующей непосредственно в осуществлении гормональной, биокаталити­ческой или иной функции.

Глюкагон — 29-членный пептид, синтезирующийся в а-клетках островковой части поджелудочной железы. Первое упоминание об этом гормоне восходит к 1923 г., когда И. Мурлин с сотр. обнаружил его присутствие в препаратах инсулина. В 1953 г. Ф. Штрауб полупил глюкагон в виде гомогенного кристал­лического препарата, а несколько позже была выяснена его первичная струк­тура. Она такова:

Избыточное выделение глюкагона поджелудочной железой или искусствен­ное введение его в организм животных и человека приводит к кратковременному повышению содержания глюкозы в крови — гипергликемии. Это действие глюка­гона объясняется тем, что он способствует превращению менее активной формы фосфорилазы печени в более активную (см. с. 334). В результате под действи­ем фосфорилазы а усиливается распад гликогена в печени и возрастает содержа­ние глюкозы (в виде глюкозо-1-фосфата) в крови. Естественно, что запасы гликогена в печени при этом сокращаются, а процесс гликогенолиза в организме усиливается. Таким образом, глюкагон способствует деструкции углеводов.

Инсулин — белок, вырабатываемый в ß-клетках поджелудочной железы. Его строение детально изучено. Инсулин был первым белком, у которого Ф. Сангером (см. с. 61) была выяснена первичная структура. Он же явился первым белком, полученным путем химического синтеза.

Впервые наличие в железе гормона, влияющего на углеводный обмен, было отмечено Мерингом и О. Миньковским (1889). Позднее Л. В. Соболев (1901) установил, что источником инсулина в поджелудочной железе служит остро­вковая часть ее, в связи с чем в 1909 г. этот гормон, не будучи еще индивиду­ализирован, получил наименование — инсулин (от лат. insula — остров). В 1922 г. Ф. Бантинг и Г. Бест впервые приготовили активный препарат инсулина, а к 1926 г. были разработаны способы его выделения в высокоочи­щенном состоянии, в том числе в виде кристаллических препаратов, содержа­щих 0,36% Zn.

Молекулярная масса кристаллического инсулина равна 36 000. Его молеку­ла представляет собой мультимер, составленный из шести протомеров и двух атомов Zn. Протомеры образуют димеры, которые взаимодействуют с ими­дазольными ядрами радикалов гис₁₀ цепи В и способствуют их агрегации в гексамер (рис. 136). Распадаясь, мультимер дает три субчастицы с молеку­лярной массой 12000 каждая. В свою очередь, каждая субчастица расщепляет­ся на две равные части с М = 6000. Все перечисленные модификации ин­сулина — протомер, димер и гексамер — обладают полной гормональной ак­тивностью. Поэтому часто молекулу инсулина отождествляют с протомером, обладающим полной биологической активностью (М = 6000), тем более, что в физиологических условиях инсулин существует в мономерной форме. Даль­нейшее фрагментирование молекулы инсулина (с М = 6000) на цепь А (из 21 аминокислотного остатка) и цепь В (из 30 аминокислотных остатков) ведет к утрате гормональных свойств.

Рис. 136. Структура инсулина и его рецептора:

I — третичная структура протомера; А1—А21 — цепь А; В1—В30 — цепь В; пунктиром показана зона связывания с рецептором; II — четвертичная структура гексамерной молекулы; каждый блок соответствует протомеру; один блок отсутствует, чтобы показать взаимодействие ионов цинка (пунктирные линии) с тремя радикалами гистидина и иона кальция — с тремя радикалами глутаминовой кислоты (оба радикала в цепи В, в положениях 10 и 13 соответственно); и тот и другой ион связаны также с тремя молекулами воды каждый (на рисунке не показано); III — транспортные системы, чувствительные к регуляторному действию инсулина на клетки-мишени: I — стимуляция переноса глюкозы; 2 — стимуляция Na⁺, К⁺-насоса; 3 — повы­шение интенсивности Na⁺/Н⁺-обмена; 4 — ингибирование Са²⁺-насоса; 5 — стимуляция транспорта амино­кислот; 6 — повышение активности системы Na⁺/Ca²⁺-oбмeнa; Р — рецептор; Г — гормон; IV — гипотетиче­ская структура рецептора инсулина (а₂β₂-цепи, связанные дисульфидными мостиками; а — 93 000, ß — 135 000 Да). Это гликопротеин (М = 460 кДа), встроенный в плазматическую мембрану клетки; наружу экспонирова­ны а-субъединицы, а ß-субъединицы пронизывают мембрану; фрагмент полипептидной цепи ß-субъединицы, локализованный в цитозоле, обладает тирозинкиназной активностью, в частности по отношению к фосфа­тазе; последняя, будучи активирована, дефосфорилирует рад ферментов углеводного обмена и изменяет их активность

Инсулины, выделенные из поджелудочной железы различных животных, почти идентичны по первичной структуре (см. табл. 8). При недостаточном уровне биосинтеза инсулина в поджелудочной железе человека (в норме еже­суточно синтезируется 2 мг инсулина) развивается характерное заболевание — диабет, или сахарное мочеизнурение. При этом повышается содержание глю­козы в крови (гипергликемия) и растет выведение глюкозы с мочой (глюкозурия). Одновременно развиваются различные вторичные явления—падает со­держание гликогена в мышцах, замедляется биосинтез пептидов, белков и жи­ров, нарушается минеральный обмен и т. п.

Введение инсулина путем инъекции или per os в виде препарата, ин­капсулированного в липосомы, вызывает противоположный эффект: по­нижение содержания глюкозы в крови, повышение запасов гликогена в мышцах, усиление анаболических процессов, нормализацию минераль­ного обмена и т. д. Все перечисленные выше явления представляют резуль­тат изменения под воздействием инсулина проницаемости для глюкозы клеточных мембран, на поверхности которых выявлены высоко- и низкоаф­финные Са²⁺-зависимые инсулиновые рецепторы. Повышая уровень про­никновения глюкозы внутрь клетки и субклеточных частиц, инсулин усили­вает возможности ее использования в тех или иных тканях, будь то биосин­тез из нее гликогена или дихотомический или апотомический ее распад (рис. 136).

При взаимодействии инсулина с рецептором клеточной мембраны воз­буждается активность протеинкиназного домена инсулинового рецептора (рис. 136, IV), что сказывается на внутриклеточном метаболизе углеводов, липидов и белков. Сущность этого ясна из рассмотрения рис. 136, III. Для инсулина не типичен аденилатциклазный механизм действия.

Адренокортикотропный гормон (АКТГ) — 39-членный пептид, продуци­руемый передней долей гипофиза. Он открыт в 1928 г., но лишь немногим менее чем через три десятилетия удалось расшифровать первичную струк­туру сначала АКТГ овцы (Ч. Ли и сотр., 1955), а затем свиньи (П. Белл и сотр., 1956). В настоящее время известна также первичная структура АКТГ быка, человека и акулы. Приведем в качестве примера строение АКТГ человека:

Как показал К. Гофман, видовая специфичность АКТГ обусловлена чере­дованием аминокислотных остатков в позициях 25—33. Участок молекулы АКТГ между 1-ми 13-м аминокислотными остатками абсолютно необходим для обеспечения активности гормона. Между 14—20-м аминокислотными остатками располагается якорная площадка гормона (15—18-й остатки, т. е.— лиз—лиз—арг—арг—). Пептидная группировка из 19 аминокислотных остатков (позиция 21—39) может быть удалена без каких-либо последствий для активности гормона, но она определяет его иммунологическую специфич­ность.

АКТГ оказывает разностороннее действие: повышает активность фосфорилазы, липазы и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, усиливает синтез белков и рибонуклеиновых кислот и др. Однако главная его функция в организме сводится к регуляции интенсивности и объема биосинтеза кортикостероидов надпочечными железами. В свою очередь, падение в крови концентрации кортикостероидов ниже определенного уровня стимулирует выработку АКТГ в передней доле гипофиза. Известно также, что АКТГ стимулирует главным образом биосинтез глюкокортикостероидов, изменяя, таким образом, соот­ношение между различными кортикостероидами, продуцируемыми надпочеч­ными железами.

Есть основания полагать, что АКТГ, с одной стороны, повышает биосин­тез кортикостероидов, обеспечивая более высокий уровень в организме НАДФН, необходимого для их новообразования из холестерола. С другой стороны, АКТГ активирует мембранно-связанную аденилатциклазу, т. е. био­синтез цАМФ (см. ниже), сказывающийся на интенсивности протеинкиназных реакций при стероидогенезе.

Меланоцитостимулирующий гормон (МСГ) — 18-членный пептид, образу­емый средним (а у ряда видов, например у свиньи, задним) отделом гипофиза животных. МСГ человека представлен 22-членным пептидом, очень похожим на МСГ животных.

Хотя сведения о существовании в среднем отделе гипофиза МСГ относятся к 1932 г., впервые он был получен в 1955 г. из задней доли гипофиза свиньи Дж. Поратом, разработавшим детальный метод выделения гипофизарных пептидов. Он был назван а-МСГ. В том же году был выделен также из задней доли гипофиза сходный с ним МСГ, обозначенный ß-МСГ.

Строение молекулы а-МСГ свиньи, выясненное Дж. Гаррисом и П. Россом (1956), таково:

Сейчас известна также первичная структура а- и ß-МСГ человека, обезья­ны, быка, лошади, верблюда и акулы, а- и ß-МСГ свиньи синтезированы. Кроме того, получено около двух десятков аналогов МСГ.

Механизм действия ß-МСГ на меланоциты у низших позвоночных в насто­ящее время рассматривают с точки зрения влияния ß-МСГ на переход гранул, содержащих меланин, из состояния геля в состояние золя. Это сопровождается распределением пигмента в клетке и ее потемнением. Смысл изменения степе­ни потемнения покровов у низших позвоночных сводится к адаптации их к окружающим условиям. Роль МСГ у высших позвоночных неясна.

Паратгормон — белок, синтезируемый паращитовидными железами. Впер­вые на гормональные свойства кислого экстракта из паращитовидных желез указал Дж. Коллип (1925). Однако в индивидуальном состоянии паратгормон получен значительно позже благодаря усилиям Г. Аурбаха и X. Расмуссена (1959—1964). Он оказался белком с М = 9500, состоящим из 84 аминокислот­ных остатков. Первичная структура паратгормона быка была окончательно выяснена в 1970 г. Дж. Поттсом с сотр.:

Аналогично, с небольшими отличиями (всего несколько аминокислотных замен) построены паратгормоны человека и свиньи.

Паратгормон регулирует содержание катионов кальция и анионов фосфор­ной и лимонной кислот в крови. При длительном дефиците солей кальция в пище или при нарушении всасывания солей кальция в кишечнике содержание их в крови понижается. Это ведет к повышению синтеза и выделения паращи­товидными железами гормона, который мобилизует соли кальция (в виде цитратов и фосфатов) из костной ткани. Поддержание нормального уровня Са²⁺ в крови достигается усилением под влиянием паратгормона экскреции фосфатов почками, в результате чего замедляется отложение фосфата кальция в костях.

Биологическая активность паратироидного гормона обеспечивается N-концевым фрагментом длиной не менее 28 аминокислотных остатков, причем особо важны первые две N-концевые аминокислоты.

Точкой приложения действия паратгормона являются рецепторные белки плазматической мембраны клеток-мишеней и зависимая от них активация аденилатциклазы, в результате чего в клетках повышается содержание цАМФ (см. ниже). Это сопровождается усилением протеинкиназных реакций, активи­рованием мембранно-связанной Са²⁺-зависимой АТФазы, что приводит к пе­рераспределению кальция в компартментах клетки и, в конечном счете, между тканями и органами.

Тиреотропин — белок, выделяемый передней долей гипофиза. Он представля­ет собой гликопротеин с М = 28 300, составленный из двух неравных субъединиц (М = 13600 и 14700), исключительно богатых дисульфидными мостиками (5 и 6 соответственно). Первичная структура тиреотропина быка и свиньи выясне­на. При недостатке тиреотропина (гипофункция гипофиза) ослабляется дея­тельность щитовидной железы, она уменьшается в размерах, а содержание в крови выделяемого ею гормона — тироксина (см. ниже) — сокращается вдвое.

Таким образом, тиреотропин стимулирует деятельность щитовидной желе­зы. В свою очередь, выделение тиреотропина регулируется по принципу обратной связи гормонами щитовидной железы. Следовательно, деятельность двух упомянутых желез внутренней секреции тонко координирована.

Введение тиреотропина вызывает множественные сдвиги в обмене веществ: через 15—20 мин повышается секреция гормонов щитовидной железы и уси­ливается поглощение ею иода, необходимого для синтеза этих гормонов (см. ниже); повышается поглощение кислорода щитовидной железой, возрас­тает окисление глюкозы, активируются обмен фосфолипидов и новообразова­ние РНК. Сейчас выяснено, что механизм действия тиреотропина, как и мно­гих других пептидных гормонов, сводится к активированию аденилатциклазы, расположенной в непосредственной близости от рецепторного белка, с кото­рым связывается тиреотропин. Как следствие этого, в щитовидной железе ускоряется ряд процессов, в том числе и биосинтез тиреоидных гормонов.

Гормон роста (соматотропний гормон, СТГ) — белок, секретируемый перед­ней долей гипофиза позвоночных животных. Наличие его в экстрактах из гипозифа было отмечено еще в 1921 г. Г. Эвансом и Дж. Лонгом, однако лишь через два десятилетия (1944) он был получен в виде очищенного препарата, а через несколько лет после этого (1948) — в кристаллическом состоянии.

В зависимости от вида животного (бык, овца, свинья, крыса и др.) молеку­лярная масса кристаллического препарата гормона роста колеблется от 20 000 до 22000.

В гипофизе человека содержится от 3,7 до 6,0 мг СТГ. Обладая М = 21000, он представлен одной полипептидной цепочкой из 191 аминокислотного остатка. Первичная структура ее выяснена Ч. Ли и сотр. (1969) и уточнена Г. Наилом с сотр. (1973). Известна также первичная структура СТГ быка и овцы (по 191 аминокислот­ному остатку). Изучена последовательность аминокислотных остатков в гормоне роста многих рыб (байкальского омуля, кеты, форели, угря, трески, лосося, щуки и др.) и выявлена множественность генов, кодирующих слегка различающиеся варианты полипептидных цепей СТГ даже у одного и того же вида рыб. Эти данные открывают новое направление в химии гормонов пептидной природы, раскрываю­щее причину множественности не только у СТГ, но и во многих других случаях.

Третичная структура СТГ человека характеризуется сближенностью С­u N-концевых аминокислот, наличием четырех мощных спиралей, охватыва­ющих половину его полипептидной цепи и присутствием неорганизованной последовательности, составляющей вторую половину молекулы. В узнавании рецептора СТГ участвуют его 1-ая и 2-ая а-спирали и часть неупорядоченной петли, соединяющей 1-ую и 2-ую спирали; вслед за этим по 1-ой и 3-ей спиралям присоединяется вторая молекула рецептора, что обеспечивает его димеризацию и передачу гормонального сигнала. Содержание СТГ в крови человека в норме колеблется в широких пределах — от 0—3 мкг/мл после ночного голодания до 100 мкг/мл после приема сахара.

Гормон роста обладает ярко выраженным анаболическим действием и влия­ет на все клетки организма, повышая в них уровень биосинтетических процес­сов. Он усиливает биосинтез белков, ДНК, РНК и гликогена, но способствует мобилизации жиров из жировых депо и ускоряет распад высших жирных кислот и глюкозы. СТГ улучшает функции почечных канальцев и нормализует мине­ральный и водный обмен организма. Все это способствует росту организма, но в конечном счете действие СТГ гораздо шире, нежели только регуляция роста.

Исследования на молекулярном уровне показали, что СТГ стимулирует деятельность РНК-полимераз и полирибосомного аппарата клетки. Как сви­детельствуют опыты с меченым фосфором, самым ранним эффектом действия гормона роста является синтез в ядрах клеток предшественников мРНК и рРНК. Вместе с тем велико его влияние и на проницаемость клеточных стенок, так как фонд внутриклеточных аминокислот в присутствии СТГ значительно возрастает, что способствует новообразованию белков. Возмож­но, первопричиной всех этих явлений служит все же активирование мембран­но-связанной аденилатциклазы. Вместе с тем показано, что СТГ повышает содержание в крови особых стимулирующих рост факторов — соматомединов — белков с M ≈ 7000. Механизм их действия активно изучают.

Гормон ожирения — лептин (от греч. leptos — тонкий) открыт группой ис­следователей во главе с Дж. Фридманом в 1992 г., хотя первые сведения о мутациях гена «ob» (obese — ожирение), вызывающих ожирение у мышей, были получены в начале 50-ых гг. Этот белковый гормон, экспрессирующийся в адипоцитах в виде 167-членного предшественника, экспретируется в кровь в качестве активного пептидного гормона, составленного из 145 аминокислот­ных остатков, последовательность которых выяснена. При парэнтеральном и внутривенном введении его в количестве нескольких микрограммов на животное в день происходит повышение энергетического обмена, снижение потребления пищи, увеличение двигательной активности и снижение веса мышей вследствие уменьшения запасов жира в организме. После прекращения введения лептина все исследованные параметры достаточно быстро возвраща­ются к исходному уровню. Предполагают, что гормон ожирения секретируется адипоцитами в кровь в изменяющихся количествах в зависимости от потребностей организма. Какие клетки или ткани играют роль «липостата» и каков механизм взаимодействия гормона с рецептором и метаболических изменений, происходящих в ответ на рецепцию, остается неизвестным. Заме­тим, что вопрос об использовании лептина для лечения ожирения у человека потребует специального исследования.

Механизм действия пептидных гормонов. Пептидные гормоны не проникают внутрь клеток-мишеней и взаимодействуют с белковыми рецепторами, располо­женными на их поверхности, в плазматической мембране. Поэтому их механизм действия принципиально отличается от такового стероидных гормонов.

Подавляющее большинство гормонов пептидной природы в результате связывания с рецепторным комплексом клеточной мембраны возбуждает ак­тивность аденилатциклазы, встроенной в эту же мембрану:

Возникающее при этом соединение — циклический аденозинмонофосфат, от­крытое в 1957 г. одновременно двумя группами исследователей — Е. Сатерлэндом с сотр. и Д. Маркхэмом с сотр., оказалось тем веществом, которое передает гормональный сигнал метаболическим системам клетки, т. е. является, по сущест­ву, вторичным посредником в передаче этого сигнала (первичный посредник — рецепторный белок, воспринимающий гормональный сигнал). Дело в том, что цАМФ является аллостерическим регулятором протеинкиназ, при участии кото­рых фосфорилируются гистоны и негистоновые белки хроматина (это сказыва­ется на метаболической активности генома клетки и, в частности, на уровне биосинтеза мРНК), рибосомальные белки и белковые факторы трансляции (это отражается на интенсивности новообразования белков в рибосомальном аппа­рате клетки), многие ферменты (что предопределяет степень их активности) и т. п. Поскольку это затрагивает фундаментальные стороны обмена веществ, то вполне объяснимы биохимические и физиологические явления, наблюдаемые при недостатке или избытке пептидных гормонов. Ряд конкретных примеров такого механизма действия пептидных гормонов был рассмотрен ранее при изучении реакции фосфоролиза гликогена, липолитических процессов и др.

Передача гормонального сигнала аденилатциклазе осуществляется в ре­зультате работы гормон-рецепторного комплекса, структура которого пред­ставлена на рис. 137. Ключевыми в системах сопряжения гормонального и иных сигналов с образова­нием вторичных посредников являются G-белки. Они могут стимулировать (G_s = белки) и ингибировать (G_і-белки) пе­редачу сигналов. Многие из них выделены в гомогенном состоянии, расшифрован их субъединичный состав: содер­жать всегда а (М = 39—52 тыс. Да), ß (35 тыс. Да) и у (8—10 тыс. Да). Выяснена первичная структура ряда субъединиц и их функциональная активность (рис. 138). Что касается рецепторов, обеспечивающих сопряжение действия сигнала с гетеротримерными G-белками, то сейчас их уже известно более сотни. Они не только обеспечивают передачу сигнала к G-белкам, но и способны умножать этот сигнал до тех пор, пока на них действует лиганд, так как каждый рецептор может активировать множество G-белков, пока с ним продолжает оставаться связанной сигнальная молекула. Таким образом G-белок-сопряженные. взаимодействия образуют многовекторную и многоуровневую сеть передачи и обработки сигнальной информации. Рецепторы, несмотря на функциональные различия, обладают высокой сте­пенью структурной гомологии, так как каждый из них включает 7 транс­мембранных доменов, представленных а-спиральными конформациями по­липептидной цепи.

Рис. 137. Механизм действия гормо­нов пептидной природы:

Р — рецептор гормона; G — регулярный белок, спо­собный связывать гуаниловые нуклеотиды (отсюда название — G-белок), сопрягающий мембранный ре­цептор с системой вторичных посредников; АЦ — аденилатциклаза, Г — гормон. При взаимодействии рецептора с гормоном сигнал передается регулятор­ному G-белку, в котором связанная с ним ГДФ заменяется на ГТФ. Это приводит к активированию аденилатциклазы и синтезу цАМФ

Концентрация цАМФ, а также другого вторичного посредника (цГМФ) контролируется фосфодиэстеразами циклических нуклеотидов, которые уско­ряют гидролиз цАМФ и цГМФ и прекращают их регуляторное действие. Активность же фосфодиэстеразы цАМФ ингибируется 2', 5'-олигоаденилатом. Так создается многозвенная система регуляции протеинкиназных реакций в клетке:

Рис. 138. Структура и механизм действия G-белка:

І — под воздействием рецептора гормона ГДФ отделяется от G-белка и заменяется на ГТФ, а сам G-белок диссоциирует на а-субъединицу и комплекс ß- и у-субъединиц; II — а-субъединица сближается с аденилатциклазой и активирует ее, что обеспечивает образование цАМФ; III — медленно работающий ГТФазный центр гидролизует ГТФ, что приводит к утрате а-субъединицей ее ак­тивирующего воздействия на аденилатциклазу и инактивации последней; синтез цАМФ прекраща­ется; IV — а-субъединица высвобождает аденилатциклазу и ассоциируется с комплексом ß- и у-субъединиц; система приходит а исходное состояние и готова снова принять и реализовать гормо­нальный сигнал

Однако некоторые из гормонов пептидной природы действуют не по аденилатциклазному механизму. Например, инсулин, связываясь с белковым рецептором (М = 460 000, гликопротеин, состоящий из 4 субъединиц) плазмати­ческой мембраны клетки-мишени, изменяет ее проницаемость (см. рис. 136). В результате этого усиливается проникновение в клетку субстратов (глюкоза, аминокислоты и др.) и в ней на полную мощность включаются в работу соответствующие ферменты. Аналогичным образом действует окситоцин: обра­зование гормон-рецепторного комплекса сопровождается усилением переноса Са²⁺, что инициирует сокращение мышечных волокон альвеол молочных желез.

Биосинтез пептидных гормонов. Биосинтез всех пептидных гормонов, за исключением рилизинг-факторов (см. ниже в этом разделе), протекает в соот­ветствии со схемами, известными для биосинтеза белковых тел. Однако есть, по крайней мере, три особенности в биосинтезе пептидных гормонов, которые следует отметить.

Первая из них состоит в том, что, как правило, пептидные гормоны возникают путем протеолитической фрагментации высокомолекулярных пред­шественников — препрогормонов. При этом от них сначала отщепляются сигнальные пептиды (см. с. 300), способствовавшие выведению предшествен­ников гормонов из железистых клеток, а потом — пептидные фрагменты про­гормонов.

Вторая особенность касается биосинтеза пептидных гормонов, молекулы которых состоят из нескольких пептидных цепочек, как, например, у инсулина. Выяснено, что соединение пептидных цепочек друг с другом идет при участии инсулин: глутатионтрансгидрогеназы:

Впрочем, в последнее время выявлено, что вообще замыкание SS-мостиков в биологически активных белках осуществляется ферментативным путем. Поэтому, возможно, эта реакция не столь специфична для пептидных гормонов.

Третья особенность заключается в том, что биосинтез пептидных гормонов регулируется в ряде случаев нейрогормонами, продуцируемыми особым участ­ком головного мозга — гипоталамусом. Они представлены олигопептидами, и их насчитывается около десяти. Структура 4 из них выяснена. Так как они либо усиливают синтез пептидных гормонов гипофиза, попадая в него по капиллярной системе прямо из гипоталамической области, либо ослабляют его, их называют либеринами и статинами соответственно (сохраняется и пер­воначальное название, а именно — рилизинг-факторы, т. е. облегчающие вы­свобождение тройных пептидных гормонов). Так, благодаря титанической работе, проведенной двумя группами ученых (Р. Гиллемин с сотр. и Э. Шелли с сотр.; половина Нобелевской премии 1977 г. по физиологии и медицине), в конце 70-х годов была установлена структура тиролиберина — трипептида, резко повышающего выделение гипофизом тиреотропина:

Не следует забывать также, что пептидные гормоны с тройными функци­ями подчиняются регуляции по принципу обратной связи теми конкретными гормонами, биосинтез которых они ускоряют.

Открытие рилизинг-факторов послужило толчком для мощного всплеска работ по изучению регуляторных функций пептидов. Наиболее выдающимся их результатом оказалось обнаружение семейства опиоидных, эндогенных пептидов (эндорфины и энкефалины), являющихся индукторами ощущений удовольствия, приятного настроения, состояния эйфории в результате их прямого морфиноподобного воздействия на опиатные рецепторы центральной нервной системы. Они же оказывают болеутоляющее действие, влияют на кровяное давление, двигательную и дыхательную функцию, температуру тела и т. п. Будучи пептидами протяженностью от 5 до 31 аминокислотного остатка, опиоидные пептиды возникают из проопиокортина (М = 29 к Да, 265 аминокислотных остатков, синтезируется в мозге) путем его селективного гидролиза. Так как характерная для них последовательность с N-конца моле­кулы — тир-гли-гли-феп-довольно распространена в пищевых белках, они могут возникать при деструкции последних.

Открытие опиоидных пептидов и ряда других нейропептидов поставило проблему возможных социальных последствий развития этой области эндо­кринологии; его расценивают сейчас как «нейропептидную революцию».