Механизмы передачи информации при помощи сигнальных молекул

Рассмотрим механизмы передачи информации посредством сигнальных молекул на примере функционирования эндокринной млекопитающих.

Функционирование нервной и эндокринной систем у млекопитающих тесно связаны. Как известно, работа эндокринной системы координируется участком головного мозга – гипоталамусом. Клетки гипоталамуса сочетают в себе функциональные особенности нейрона и эндокринной клетки: они проводят электрические импульсы и способны секретировать в кровь гормоны. Такие клетки называются нейросекреторными клетками. При стимуляции нейросекреторных клеток гипоталамуса, в кровеносные сосуды гипофиза выделяются специфические гормоны пептидной природы, которые регулируют секрецию гипофизом других гормонов. Клетки гипоталамуса могут секретировать гормоны двух типов действия: либерины - стимулируют секрецию гипофизом других гормонов, статины, наоборот, ингибирует секреторную деятельность гипофиза. Большинство гипофизарных гормонов регулируют работу других эндокринных желез, выделяющих в кровь третий специфический гормон. Гормоны, выделяемые эндокринными клетками, регулируют множество функций организма: обмен веществ, ростовые процессы, работу сердца, работу репродуктивной, пищеварительной и других систем.

По своей химической природе гормоны очень разнообразны. Многие гормоны представлены стероидами – производными холестерола (прогестерон, кортизол, альдостерон, тестостерон и другие половые гормоны). Некоторые гормоны, например адреналин и тироксин, являются производными аминокислот. Многие тканевые гормоны являются производными жирных кислот (простагландины). Определенная часть гормонов представляют собой олиго- и полипептидные молекулы. Как уже было отмечено, одни и те же пептиды способны выполнять функцию гормонов, нейромедиаторов, иммунномодуляторов.

По способу доставки гормонов и по дальности действия различают аутокринную, паракринную и собственно эндокринную секреции. При аутокринной секреции, гормоны вырабатываемые клеткой, действуют на ту же клетку. При паракринной секреции гормоны секретируются во внеклеточную жидкость и действуют на соседние клетки. Клетки эндокринной секреции выделяю гормоны в кровь, и они с кровотоком транспортируются к клеткам-мишеням. При аутокринной и паракринной секреции сигнальные молекулы быстро гидролизуются и не успевают попасть в кровь.

Большинство гормонов хорошо растворяются в водной среде и транспортируются в растворенном состоянии с кровотоком. Исключение составляют липофильные молекулы, в первую очередь, стероидные и тиреоидные гормоны, которые не растворяются в воде. Для транспорта этих молекул с током крови к клеткам-мишеням используются специальные водорастворимые белки-переносчики.

Гидрофильные и липофильные гормоны по-разному взаимодействуют с клетками-мишенями. Гидрофобные гормоны (стероиды, тироксин, ретиноевая кислота и др.) свободно диффундируют через мембрану клетки и соединяются с высокоспецифичными рецепторами (Рис. 5). Рецепторы этих гормонов относятся к группе редких белков (10³ - 10⁴ молекул на клетку). Рецептор соответствующего типа характеризуется высоким уровнем сродства и высокой специфичностью к определенному гормону. Связывание гормона с рецептором приводит к изменению конформации рецепторного белка, сопряженного с другой молекулой белка. В конечном счете, в результате такого взаимодействия, образуется димерные белки, обладающие большим сродством к ДНК. Комплекс димера с гормоном связывается с регуляторным участком гена, носящим название гормон респонсивный элемент (ГРЭ). ГРЭ в генах представлены короткими симметричными участками молекул ДНК (палиндромами), которые выполняют функцию усилителей (энхансеров) транскрипции. Каждый гормон-рецепторный комплекс узнает и связывается только с одним, своим участком, и инициирует транскрипцию одного, контролируемого этим участком, гена. Усиление или подавление синтеза м-РНК приводит к повышению (или снижению) количества синтезируемых клеткой специфичных белков, определяющих отве клетки на гормональный сигнал.

Большинство гидрофильных сигнальных молекул не способно проходить через билипидный слой клеточной мембраны. Поэтому водорастворимые гормоны передачу сигнала в клетку осуществляют через мембранные рецепторы. Эти рецепторы являются интегральными белками, которые связывают сигнальные молекулы на внешней стороне плазматической мембраны и за счет изменения конформации, генерируют новый сигнал на внутренней стороне мембраны. Характером этого нового сигнала и определяется конечный ответ клетки на гормональный сигнал. Это может быть генерация потенциала действия (если принимает сигнал нейрон), либо появление внутриклеточных сигнальных молекул – вторичных посредников. Предполагается, что первичным посредником является внеклеточная сигнальная молекула (гормон). Вторичные посредники передают сигнал в клетку, что, в конечном счете, вызовет какой-либо физиологический процесс, например, сокращение мышечного волокна, ингибирование или активацию ферментативной реакции, регуляцию активности гена.

Рис. 5. Передача сигнала через плазматическую иембрану при действии на в клетку-мишень гидрофильных и липофильных гормонов (кольман, 359 с.)