Hormony działają jako elementy integrujące, łączące różne mechanizmy regulacyjne i procesy metaboliczne w narządach. Pełnią rolę pośredników chemicznych, zapewniających przenoszenie sygnałów zachodzących w różnych narządach oraz w ośrodkowym układzie nerwowym. Komórki inaczej reagują na hormony.
Poprzez system cyklazy adenylanowej pierwiastki wpływają na tempo procesów biochemicznych w komórce docelowej. Rozważ szczegółowo ten system.
Skutek fizjologiczny
Reakcja komórek na działanie hormonów zależy od ich budowy chemicznej, a także od typu komórki, na którą oddziałuje.
Stężenie hormonów we krwi jest dość niskie. Aby uruchomić mechanizm aktywacji enzymu przy udziale układu cyklazy adenylanowej, należy je rozpoznać, a następnie powiązać z receptorami – specjalnymi białkami o wysokiej specyficzności.
Skutek fizjologiczny zależy od różnych czynników, na przykład stężenia hormonu. Zależy to od prędkościinaktywacja podczas rozpadu, zachodząca głównie w wątrobie, oraz tempo jej wydalania wraz z metabolitami. Efekt fizjologiczny zależy od stopnia powinowactwa hormonu do białek nośnikowych. Pierwiastki tarczycy i sterydy przemieszczają się w krwiobiegu wraz z białkami. Liczba i rodzaj receptorów na komórkach docelowych również są czynnikami decydującymi.
Sygnały stymulujące
Procesy syntezy i wydzielania hormonów są stymulowane przez wewnętrzne i zewnętrzne impulsy skierowane do ośrodkowego układu nerwowego. Neurony przenoszą te sygnały do podwzgórza. Tutaj dzięki nim stymulowana jest synteza statyn i liberyn (hormonów uwalniających peptydy). Te z kolei hamują (tłumią) lub stymulują syntezę i wydzielanie pierwiastków w przednim płacie przysadki mózgowej. Te składniki chemiczne nazywane są potrójnymi hormonami. Pobudzają produkcję i wydzielanie pierwiastków w obwodowych gruczołach dokrewnych.
Oznaki hormonów
Podobnie jak inne cząsteczki sygnałowe, te elementy mają wiele wspólnych cech. Hormony:
- Wydalane z komórek, które je produkują, do przestrzeni pozakomórkowej.
- Nie używany jako źródło energii.
- Nie są to elementy strukturalne komórek.
- Mają zdolność do nawiązywania określonych relacji z komórkami, które mają specyficzne receptory dla określonego hormonu.
- Różnią się wysoką aktywnością biologiczną. Nawet w małych stężeniach hormony mogą skutecznie wpływać na komórki.
Komórki docelowe
Ich interakcja z hormonami jest zapewniana przez specjalne białka receptorowe. Znajdują się na błonie zewnętrznej, w cytoplazmie, błonie jądrowej i innych organellach.
W każdym białku receptorowym występują dwie domeny (miejsca). Dzięki nim realizowane są funkcje:
- Rozpoznawanie hormonów.
- Transformacja i transmisja odebranego impulsu do komórki.
Cechy receptorów
W jednej z domen białkowych znajduje się miejsce, które jest komplementarne (wzajemnie komplementarne) do jakiegoś elementu cząsteczki sygnałowej. Wiązanie się z nim receptora jest podobne do procesu tworzenia kompleksu enzym-substrat i jest określone przez stałą powinowactwa.
Większość receptorów nie jest obecnie dobrze poznana. Wynika to ze złożoności ich izolacji i oczyszczania, a także niezwykle niskiej zawartości każdego typu receptora w komórkach. Wiadomo jednak, że oddziaływanie hormonów z receptorami ma charakter fizykochemiczny. Pomiędzy nimi powstają wiązania hydrofobowe i elektrostatyczne.
Interakcji hormonu i receptora towarzyszą zmiany konformacyjne tego ostatniego. W efekcie dochodzi do aktywacji kompleksu cząsteczki sygnałowej z receptorem. Będąc w stanie aktywnym, jest w stanie wywołać specyficzną odpowiedź wewnątrzkomórkową na przychodzący sygnał. Kiedy synteza lub zdolność receptorów do interakcji z cząsteczkami sygnałowymi jest osłabiona, pojawiają się choroby - zaburzenia endokrynologiczne.
Mogą być powiązane z:
- Brak syntezy.
- Zmiany w strukturze białek receptorowych (zaburzenia genetyczne).
- Blokowanie receptorów przeciwciałami.
Typy interakcji
Różnią się one w zależności od struktury cząsteczki hormonu. Jeśli jest lipofilny, jest w stanie przeniknąć warstwę lipidową w zewnętrznej błonie celów. Przykładem są hormony steroidowe. Jeśli wielkość cząsteczki jest znacząca, nie może ona przeniknąć do komórki. W związku z tym receptory dla hormonów lipofilowych znajdują się wewnątrz celów, a dla hormonów hydrofilowych - na zewnątrz, na błonie zewnętrznej.
Drugi pośrednicy
Uzyskiwanie odpowiedzi na sygnał hormonalny z cząsteczek hydrofilowych zapewnia wewnątrzkomórkowy mechanizm przekazywania impulsów. Funkcjonuje poprzez tzw. drugich pośredników. Natomiast cząsteczki hormonów mają dość zróżnicowany kształt.
Cykliczne nukleotydy (cGMP i cAMP), kalmodulina (białko wiążące wapń), jony wapnia, trifosforan inozytolu, enzymy zaangażowane w syntezę cyklicznych nukleotydów i fosforylację białek działają jako „drugi posłańcy”.
Działanie hormonów poprzez system cyklazy adenylanowej
Istnieją 2 główne sposoby przesyłania impulsu do komórek docelowych z elementów sygnału:
- System ceklazy adenylanowej (cyklazy guanylanowej).
- Mechanizm fosfoinozytydu.
Schemat działania hormonów poprzez system cyklazy adenylanowej obejmuje: białko G, kinazy białkowe,białko receptorowe, trifosforan guanozyny, enzym ceklazy adenylanowej. Oprócz tych substancji, ATP jest również niezbędne do normalnego funkcjonowania systemu.
Receptor, białko G, w pobliżu którego znajdują się GTP i cyklaza adenylanowa, są wbudowane w błonę komórkową. Te elementy są w stanie zdysocjowanym. Po utworzeniu kompleksu cząsteczki sygnałowej i białka receptorowego zmienia się konformacja białka G. W rezultacie jedna z jego podjednostek uzyskuje możliwość interakcji z GTP.
Utworzony kompleks „białko G + GTP” aktywuje cyklazę adenylanową. Ona z kolei zaczyna przekształcać cząsteczki ATP w cAMP. Jest w stanie aktywować określone enzymy - kinazy białkowe. Dzięki temu katalizowane są reakcje fosforylacji różnych cząsteczek białka z udziałem ATP. Jednocześnie w składzie białek znajdują się pozostałości kwasu fosforowego.
Dzięki mechanizmowi działania hormonów w układzie cyklazy adenylanowej zmienia się aktywność fosforylowanego białka. W różnych typach komórek wpływają białka o różnej aktywności funkcjonalnej: cząsteczki jądrowe lub błonowe, a także enzymy. W wyniku fosforylacji białka mogą stać się funkcjonalnie aktywne lub nieaktywne.
System cyklazy adenylanowej: biochemia
Ze względu na interakcje opisane powyżej, tempo procesów biochemicznych w obiekcie docelowym zmienia się.
Należy wspomnieć o nieznacznym czasie trwania aktywacji systemu cyklazy adenylanowej. Zwięzłość wynika z faktu, że białko G po związaniu się z enzymemZaczyna pojawiać się aktywność GTPazy. Przywraca konformację po hydrolizie GTP i przestaje działać na cyklazę adenylanową. Prowadzi to do zakończenia reakcji tworzenia cAMP.
Wstrzymanie
Oprócz bezpośrednich uczestników schematu systemu cyklazy adenylanowej, w niektórych celach znajdują się receptory związane z cząsteczkami G, prowadzące do hamowania enzymu. Adenyloaceteklaza jest hamowana przez kompleks „GTP + białko G”.
Gdy produkcja cAMP ustaje, fosforylacja nie zatrzymuje się natychmiast. Dopóki istnieją cząsteczki, aktywacja kinaz białkowych będzie kontynuowana. Aby zatrzymać działanie cAMP, komórki wykorzystują specjalny enzym - fosfodiesterazę. Katalizuje hydrolizę 3', 5'-cyklo-AMP do AMP.
Niektóre związki hamujące fosfodiesterazę (np. teofilina, kofeina) pomagają w utrzymaniu i zwiększeniu stężenia cyklo-AMP. Pod wpływem tych substancji czas aktywacji układu przekaźnikowego cyklazy adenylanowej. Innymi słowy, działanie hormonu jest wzmocnione.
Trójfosforan inozytolu
Oprócz systemu transdukcji sygnału cyklazy adenylanowej, istnieje jeszcze inny mechanizm transdukcji sygnału. Zawiera jony wapnia i trifosforan inozytolu. Ten ostatni jest substancją pochodzącą z fosfatydu inozytolu (złożonego lipidu).
Trójfosforan inozytolu powstaje pod wpływem fosfolipazy „C”, specjalnego enzymu, który jest aktywowany podczas zmian konformacyjnych w domenie wewnątrzkomórkowejreceptor błony komórkowej.
Dzięki działaniu tego enzymu hydrolizuje się wiązanie fosfoestrowe cząsteczki fosfatydylo-inozytolu-4,5-bisfosforanu. W rezultacie powstaje trifosforan inozytolu i diacyloglicerol. Ich powstawanie prowadzi z kolei do wzrostu zawartości zjonizowanego wapnia w komórce. Przyczynia się to do aktywacji różnych cząsteczek białek zależnych od wapnia, w tym kinaz białkowych.
W tym przypadku, podobnie jak w przypadku uruchomienia systemu cyklazy adenylanowej, fosforylacja białek działa jako jeden z etapów przekazywania impulsów wewnątrz komórki. Prowadzi to do fizjologicznej odpowiedzi komórki na działanie hormonu.
Element łączący
Specjalne białko, kalmodulina, bierze udział w funkcjonowaniu mechanizmu fosfoinozytydu. Jedna trzecia jej składu to aminokwasy naładowane ujemnie (Asp, Glu). W związku z tym jest w stanie aktywnie wiązać Ca+2.
W jednej cząsteczce kalmoduliny znajdują się 4 miejsca wiązania. W wyniku oddziaływania z Ca + 2 rozpoczynają się zmiany konformacyjne w cząsteczce kalmoduliny. W efekcie kompleks Ca+2-kalmodulina nabywa zdolność do regulowania aktywności wielu enzymów: fosfodiesterazy, cyklazy adenylanowej, Ca+2, Mg+2 – ATPazy, a także różnych kinaz białkowych.
Nuanse
W różnych komórkach, pod wpływem kompleksu Ca + 2-kalmodulina na izoenzymy jednego enzymu (np. na cyklazę adenylanową różnych typów), w jednym przypadku będzie obserwowana aktywacja, a w drugim - hamowanie powstawania cAMP. Wynika to z faktu, że centra allosteryczne w izoenzymachmoże zawierać różne rodniki aminokwasowe. W związku z tym ich reakcja na oddziaływanie kompleksu będzie inna.
Dodatkowe
Jak widać, „drugi posłańcy” są zaangażowani w system cyklazy adenylanowej oraz w procesy opisane powyżej. Kiedy mechanizm fosfoinozytydu działa, są to:
- Cykliczne nukleotydy. Podobnie jak w systemie cyklazy adenylanowej, są to c-GMP i c-AMP.
- Jony wapnia.
- Kompleks Sa-kalmoduliny.
- Diacyloglicerol.
- Trójfosforan inozytolu. Pierwiastek ten bierze również udział w transdukcji sygnału w układzie cyklazy adenylanowej.
Mechanizmy sygnalizacji z cząsteczek hormonów w celach, w których uczestniczą powyższe mediatory, mają kilka wspólnych cech:
- Jednym z etapów przekazywania informacji jest proces fosforylacji białek.
- Aktywacja zatrzymuje się pod wpływem specjalnych mechanizmów. Uruchamiają je sami uczestnicy procesu (pod wpływem mechanizmów negatywnej informacji zwrotnej).
Wniosek
Hormony pełnią funkcję głównych humoralnych regulatorów funkcji fizjologicznych organizmu. Są wytwarzane w gruczołach dokrewnych lub wytwarzane przez określone komórki dokrewne. Hormony są uwalniane do limfy, krwi i mają odległy (endokrynologiczny) wpływ na komórki docelowe.
Obecnie właściwości tych cząsteczekwystarczająco dobrze zbadane. Znane są procesy ich biosyntezy, a także główne mechanizmy oddziaływania na organizm. Jednak wciąż istnieje wiele nierozwiązanych tajemnic związanych z osobliwościami interakcji hormonów i innych związków.
