§18. Механизм действия гормонов на клетки-мишени на примере эстрогена
Цель изучения этой темы: объяснить механизм действия липидных (стероидных) гормонов.
Что общего между понятиями «нервно-гуморальная регуляция» и «гомеостаз»? Что относится к липидам? Какова их роль в клетках и организмах?
Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 27 – учебник для 9 класса; § 3 – учебник для 10 класса.
Понятие «клетки-мишени». Как вы помните, гормоны – это биологически активные вещества, образующиеся в клетках эндокринных желез. Из мест синтеза гормоны поступают в протекающую по железам кровь и разносятся по организму.
Понятие «мишень» характерно для обеих регуляций, как нервной, так и гуморальной. Вспомните, куда поступает нервный импульс, идущий по рефлекторной дуге. «Мишенью» для него служат мышца, группа мышц, мышечный слой определенного органа или конкретная железа. Особенностью же гуморальной регуляции является комплексное воздействие гормонов на различные процессы. Иначе говоря, в отличие от нервной регуляции, при которой мишенью является один конкретный орган, гормоны как биоактивные вещества воздействуют на ряд биохимически и физиологически взаимосвязанных процессов в организме. По этой причине понятие «мишень» для каждого гормона гораздо более широкое. «Мишенью» часто становится не отдельный орган и даже не группа клеток или тканей, а именно ряд биохимических процессов, которые комплексно изменяются под действием гормонов. Это также приводит к изменениям в физиологическом состоянии организма, а не к короткому «разовому» ответному действию, как при воздействии нервного импульса.
Биохимические группы гормонов. По типам химических веществ все гормоны делятся на три большие группы. Одну из групп составляют так называемые белковые гормоны. Как правило, это сложные по структуре пептиды, состоящие из аминокислот (и не только). Другими словами, это крупные комплексы, состоящие из нескольких разных белковых молекул, соединенных сульфидными (третичная структура) или иными видами химической связи. Иногда разные белковые цепи, входящие в состав одного гормона, закодированы в разных генах. Это такие гормоны, как инсулин, соматотропин, пролактин, лактин и т. д.
Другая биохимическая группа гормонов представлена липидными веществами, или стероидами. Это гидрофобные соединения, не состоящие из аминокислот, не растворимые в воде, но способные растворяться в жирах и эфирах. Часто их химические формулы включают в себя циклические структуры. В качестве примеров стероидных гормонов можно привести половые гормоны, как мужские, так и женские.
Биохимические формулы эстрогена и андрогена похожи. И это не случайность. В клетках синтез женского полового гормона – эстрогена (эстрадиола) – идет через синтез мужского андрогена – тестостерона. То есть вначале образуется мужской тестостерон, служащий строительным материалом. Клетка его использует и преобразует затем в женский эстроген (эстрадиол). Только необходимо понять, что промежуточный «мужской продукт» не выходит за пределы цитоплазмы клеток, в которых образуется эстроген. Мужской «предшественник» не попадает в кровь и, соответственно, не воздействует на организм.
Третья группа представлена гормонами – производными аминокислот. Это гормоны, чьи химические формулы близки с определенной аминокислотой и являются ее производной после небольших биохимических преобразований. В качестве примера таких гормонов можно привести тироксин, адреналин и норадреналин. Эти три гормона являются производными аминокислоты тирозина. Все они имеют разные формулы и являются результатом разных химических преобразований одного вещества (рис. 16).
Механизм действия липидных или стероидных гормонов на клетки-мишени на примере эстрогена. Все стероидные гормоны имеют четкий, строго определенный механизм действия на клетки-мишени, отличающий их от пептидных гормонов. Сами они гидрофобны и имеют жироподобную формулу. Наружная клеточная мембрана, состоящая из слоев фосфолипидов, не является для них преградой. Молекулы стероидных гормонов проникают внутрь клеток-мишеней, в цитоплазму. Клетки-мишени синтезируют сложные протеиновые молекулы, способные соединяться
Рис. 16. Строение аминокислот и гормонов, являющихся их производными. Нетрудно заметить, что циклическая часть структурной формулы тирозина стала обязательным компонентом гормонов, образовавшихся как ее производные
с липидными гормонами. Их называют рецепторными комплексами стероидных гормонов. Пока встреча рецепторного комплекса со стероидным гормоном еще не произошла, он пребывает в неактивном состоянии. После попадания в цитоплазму эстроген, как и аналогичные вещества, соединяется с рецепторным комплексом с образованием активной молекулы эстроген-рецепторного комплекса. Активность этого соединения заключается в том, что оно способно проникать внутрь ядра клетки, сквозь ядерную мембрану, и непосредственно воздействовать на хромосомную ДНК. В результате такого воздействия образуются определенные молекулы иРНК, которые, попав в цитоплазму, обеспечивают синтез определенных белков. А уже белки, образовавшиеся в ходе таких сложных процессов, запускают в организме механизмы, которые и являются результатом действия данных гормонов. Так, например, одним из результатов активного воздействия эстрогена на организм девушек в период полового созревания является формирование вторичных половых признаков.
Рецепторные комплексы, тирозин, тироксин, адреналин, норадреналин, белковые гормоны, производные аминокислот.
Знание и понимание
1. Объясните, почему важно учитывать, к какому классу биохимических веществ относятся гормоны.
2. Определите связь между типом воздействия гормонов на клетки и их химической природой.
Применение
1. Сравните липидные и белковые гормоны, разработав как можно больше критериев.
2. Частично заполните таблицу. Определите связь между типом биохимических веществ, действием гормона и его воздействием на клетку.
Окончательно заполнить таблицу следует после изучения следующего параграфа.
Анализ
1. Проанализируйте этапы воздействия эстрогена на клетки-мишени.
2. Докажите на примерах (материал § 27, учебник для 9 класса), что эстрогены как гормоны имеют широкий спектр действия.
Синтез
Порассуждайте с точки зрения особенностей биохимии клеточных мембран, почему существует разница в механизмах воздействия стероидных и белковых гормонов на клетке.
Оценка
1. Напишите реферат о применении стероидных гормонов в гормональной терапии.
2. Обсудите научно обоснованное высказывание ученых: «Восприятие клеткой механизма действия гормонов – производных аминокислот сходно с восприятием действия стероидных гормонов (но небелковых)». Попытайтесь объяснить, почему верна именно эта точка зрения, а не противоположная.