§19. Механизм действия гормонов на клетки-мишени на примере инсулина

Цель изучения этой темы: объяснить механизм действия белковых гормонов.

Каков механизм регуляции количества глюкозы в крови? К какому биохимическому классу гормонов относятся гормоны поджелудочной железы?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 42 – учебник для 8 класса.

  Механизм действия белковых гормонов на клетки-мишени. Пептиды, в отличие от стероидов, не могут пройти сквозь двойной слой фосфолипидов мембран и попасть внутрь клетки. Действие всех гормонов белковой природы обеспечивается работой специальных структур, называемых мембранными рецепторами, способных «опознавать» определенные молекулы. Надо понимать, что название «мембранные рецепторы» условно. Не стоит воспринимать его буквально как чувствительную структуру, сходную с нейронами нервной ткани. На самом деле, это молекулы, встроенные в мембрану, которые вступают в химическое взаимодействие с определенным веществом. Принято говорить, что на это вещество они «реагируют». Причем биохимический механизм этого взаимодействия сходен с таковым у белков-ферментов. Фактически это тот же принцип действия как ключ к замку (см. § 1, 2), который используется и в процессе связывания антител и антигенов.
  Следует помнить, что молекулы мембранных рецепторных белков при связывании с гормонами изменяются. Меняется их конфигурация, структура и, как результат, биохимические свойства. После того как молекула рецептора вступила во взаимодействие с гормоном, она приобретает инуюхимическую активность, и, соответственно, меняются свойства мембраны клетки. Мембрана может изменить полярность, стать проницаемой для веществ, которые раньше не могли сквозь нее проникнуть, или изменится поток ионов и, как результат, заряд мембраны и т. д. Так или иначе изменения молекулы мембранного рецепторного белка при воздействии с молекулой гормона приводят к изменению состояния клетки в целом. А изменения состояния большого количества клеток это и есть физиологические гормональные изменения.
  Мембранным рецептором инсулина является сложный белок, состоящий из двух разных субъединиц. Та из частей (субъединиц) рецептора, которая расположена снаружи клетки, обладает способностью связываться с молекулой инсулина. Другая часть рецептора удерживает наружную субъединицу и погружена в фосфолипидный слой мембраны. В целом весь белковый комплекс как будто пронизывает мембрану клетки насквозь и выступает как в окружающую среду, так и цитоплазм у.
  Инсулиновые мембран-рецепторы характерны для многих клеток. Так, например, они есть в клетках мозга, половых желез и эритроцитов. Вместе с тем глюкоза в первую очередь запасается в клетках печени – гепатоцитах. Именно поэтому на поверхности одного эритроцита может находиться около 40 мембранных рецепторов инсулина. А на гепатоцитах (клетках печени) или липоцитах (клетках жировой ткани) их около 300.
  Механизм взаимодействия инсулина и клетки-мишени до конца не изучен, но за последние двадцать лет накопились сведения, позволяющие сделать определенные выводы. Обобщая полученные научные данные, можно представить следующую цепь событий:
  1) «Узнавание» рецептором гормона инсулина.
  2) «Связывание» выступающей части рецептора с молекулой инсулина.
  3) Изменение свойств той части молекулы рецептора, которая входит в состав мембраны и выступает в цитоплазму. По сути, молекула белка-рецептора фосфорилируется, т. е. присоединяет к себе фосфорный остаток (из АТФ) и становится химически активной.
  4) Химически активированная фосфорилированная молекула мембран-рецептора запускает каскад химических реакций, последовательно приводящих к фосфорилированию и активации внутриклеточных ферментов в цитоплазме клетки (гепатоцита).
  5) В результате значительно повышается проницаемость мембраны клетки для глюкозы. А в цитоплазме в активированном состоянии уже «ждут» ферменты, участвующие в различных путях утилизации и хранения глюкозы, причем как в виде гликогена, так и в виде липидов, синтез которых из сахаров резко активируется.
  Первым и главным результатом воздействия инсулина на мембранный рецептор является резкое усиление поглощения молекул глюкозы клеткой. Мембраны подвергшихся воздействию клеток будто начинают «закачивать» в себя глюкозу из омывающей клетки крови. В результате количество глюкозы в крови резко снижается (рис. 17).

  После того как рецепторно-инсулиновый комплекс «отработал», у него есть два пути. Он может либо разрушиться полностью, либо белок-рецептор «самовосстановится» и вернется на прежнее место в клеточную мембрану.

Рис. 17. Схема работы мембранного рецептора инсулина:

  I – мышечное волокно, или миоцит, – клетка поперечнополосатой скелетной мышечной ткани;
  II – гепатоцит – клетка печени (следует помнить, что на мембранах реального гепатоцита количество мембранных рецепторов инсулина исчисляется сотнями);
  а – инсулин пока не вступил во взаимодействие с рецептором, и клетка остается как бы «запертой» для молекул глюкозы;
  б – взаимодействие инсулина с мембранным рецептором по принципу «ключ – замок»;
  в – благодаря работе мембранного рецептора физиологическое состояние клетки (I – миоцита и II – гепатоцита) изменяется, и она начинает поглощать молекулы глюкозы из окружающей среды (крови) и депонировать их в своей цитоплазме (процесс превращения глюкозу в гликоген на данной схеме не отражается).

  Нужно отметить, что эффекты, которые происходят в клетках под действием инсулина, не ограничиваются только изменением проницаемости мембраны для глюкозы. Дальнейшие изменения ферментных систем приводят к транскрипции генов углеводного обмена. И следующими, «вторичными», результатами будут:
  1) утилизация и запасание глюкозы в виде гликогена;
  2) синтез жирных кислот из углеводов;
  3) общее усиление анаболизма, запасание аминокислот и жиров;
  4) торможение катаболических процессов – почти полное прекращение распада гликогена, жиров и белков.
  Последовательное наступление эффектов воздействия инсулина на клетку связано с последовательным изменением белка-рецептора и белков-ферментов: сначала контролирующих процессы проницаемости мембраны для глюкозы, затем белков цитоплазмы, отвечающих за утилизацию глюкозы, и, в заключение, белков-ферментов, участвующих в реализации генов (транскрипции и трансляции), усиливающих анаболизм и тормозящих катаболизм.

  Механизм действия белковых гормонов на клетки-мишени, мембранный рецептор, гепатоциты, липоциты, механизм взаимодействия инсулина, клетки-мишени.

Знание и понимание
1. Что такое мембран-рецепторы? Для восприятия гормонов какого типа они приспособлены?
2. Опишите, как расположены и работают обе части белка-рецептора инсулина.

Применение
1. Каково практическое значение количества мембран-рецепторов у клеток разного типа? Постарайтесь выстроить в последовательность по принципу «от большего к меньшему» по количеству функционирующих инсулиновых мембран-рецепторов следующие клетки: живые клетки кости, клетки мышц, клетки жировой ткани, клетки печени, мертвые клетки волоса или ногтя, эритроциты.
2. Определите примерную последовательность событий, заполнив предложенную схему и соотнеся цифры и буквенные обозначения:
1__→ 2__→ 3__→ __→ 4__→ 5__→ 6 __→7__
А) восстановление белка мембран-рецептора и его встраивание в мембрану клетки;
Б) усиление транскрипции генов, повышающих процессы анаболизма и утилизации глюкозы;
В) связывание инсулина с выступающей наружу частью мембран-рецептора;
Г) фосфорилирование первых (четырех) белков-ферментов в цитоплазме;
Д) повышение проницаемости мембраны для глюкозы;
Е) активация (фосфорилирование) внутренней части мембран-рецепторного белка, выступающего в цитоплазму;
Ж) усиление поступления глюкозы в клетку.

Анализ
1. Изобразите в виде схемы воздействия инсулина на клетку, условно разделив его на три этапа:
1) результат связывания с рецептором;
2) изменения в цитоплазме и мембране клеток;
3) изменения функционирования, происходящие в работе ядра клеток и рибосом.
2. Проанализируйте этапы взаимодействия инсулина с мембран-рецептором.

Синтез
1. Оцените представленные данные зависимости количества инсулиновых мембран-рецепторов (ИМ-Р) в мембранах различных типов клеток.

2. Порассуждайте и на основе представленных данных сделайте выводы, почему инсулиновые мембран-рецепторы есть и в клетках мозга, и в мышечных клетках, но в небольших количествах. А в клетках жировой ткани их почти так же много, как и в гепатоцитах.

Оценка
Обсудите следующие высказывания ученых:
1. Если впрыснуть в цитоплазму мышечной клетки молекулы адреналина, сокращения не произойдет. Миоцит даже «не заметит» такое воздействие. При этом попадание молекул на мембрану миоцита заканчивается мышечным сокращением.
2. Физиологический эффект от работы мембранных рецепторов сходен с работой настоящих рецепторных клеток, которые реагируют на определенный вид раздражителя. Можно сколько угодно опускать палец в чай, но понять, сладкий он или нет, не удастся, так как в коже человека (в отличие от кожи рыб) нет вкусовых хеморецепторов. Зато терморецепторы позволят определить температуру.

×
×

Cart