Расшифровка механизмов действия гормонов в организме животных представляет возможность глубже понять физиологические процессы — регуляцию обмена веществ, биосинтеза белков, роста и дифференцировки тканей.
Это важно и с практической точки зрения, в связи со все более широким применением естественных и синтетических гормональных препаратов в животноводстве и ветеринарии.
В настоящее время насчитывается около 100 гормонов, которые образуются в железах внутренней секреции, поступают в кровь и оказывают разностороннее влияние на метаболизм в клетках, тканях и органах. Трудно определить в организме такие физиологические процессы, которые не находились бы под регулирующим влиянием гормонов. В отличие от множества ферментов, которые вызывают в организме отдельные узко направленные изменения, гормоны оказывают множественные воздействия на процессы обмена веществ и другие физиологические функции. В то же время ни один из гормонов, как правило, полностью не обеспечивает регуляцию отдельных функций. Для этого необходимо воздействие ряда гормонов в определенной последовательности и взаимодействии. Так, например, соматотропин стимулирует процессы роста лишь при активном участии инсулина и гормонов щитовидной железы. Рост фолликулов в основном обеспечивает фоллитропин, а их созревание и процесс овуляции осуществляется под регулирующим воздействием лютропина и т. д.
Большинство гормонов в крови связано с альбуминами или глобулинами, что предохраняет их от быстрого разрушения ферментами и поддерживает оптимальную концентрацию метаболически активных гормонов в клетках и тканях. Гормоны оказывают непосредственное воздействие на процесс биосинтеза белков. Стероидные и белковые гормоны (половые, тройные гормоны гипофиза) в тканях-мишенях вызывают увеличение количества и объема клеток. Другие гормоны, такие как инсулин, глюко — и минералокортикоиды, воздействуют на синтез белков опосредованно.
Первым звеном физиологического действия гормонов в организме животных являются рецепторы клеточных мембран. В одних и тех же клетках имеются в большом количестве несколько видов; специфических рецепторов, с помощью которых они избирательна связывают молекулы различных гормонов, циркулирующих в крови. Например, жировые клетки в своих мембранах имеют специфические рецепторы для глюкагона, лютропина, тиротропина, кортикотропина.
Большинство гормонов белковой природы в связи с крупными размерами их молекул не могут проникать в клетки, а находятся на их поверхности и, взаимодействуя с соответствующими рецепторами, влияют на обмен веществ внутри клеток. Так, в частности, действие тиротропина связано с фиксацией его молекул на поверхности клеток щитовидной железы, под влиянием которых увеличивается проницаемость клеточных мембран для ионов натрия, а в их присутствии повышается интенсивность окисления глюкозы. Инсулин увеличивает проницаемость оболочек клеток в тканях и органах для молекул глюкозы, что способствует снижению ее концентрации в крови и переходу в ткани. Стимулирующее действие на синтез нуклеиновых кислот и белков соматотропин оказывает также путем воздействия на мембраны клеток.
Одни и те же гормоны могут влиять на обменные процессы в клетках тканей различными путями. Наряду с изменением проницаемости клеточных оболочек и мембран внутриклеточных структур для различных ферментов и других химических веществ, под влиянием тех же гормонов может изменяться ионный состав среды вне и внутри клеток, а также активность различных ферментов и интенсивность обменных процессов.
Гормоны оказывают влияние на активность ферментов и генный аппарат клеток не непосредственно, а с помощью медиаторов (посредников). Одним из таких медиаторов является циклический 3′, 5′-аденозинмонофосфат (циклический АМФ). Циклический АМФ (цАМФ) образуется внутри клеток из аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) с участием расположенного на клеточной мембране фермента аденилциклазы, которая активируется при воздействии соответствующих гормонов. На внутриклеточных мембранах имеется фермент фосфодиэстераза, которая превращает цАМФ в менее активное вещество — 5′-аденозинмонофосфат и этим прекращает действие гормона.
При воздействии на клетку нескольких гормонов, стимулирующих в ней синтез цАМФ, реакция катализируется одной и той же аденилциклазой, но рецепторы в мембранах клеток для этих гормонов строго специфичны. Поэтому, например, кортикотропин воздействует только на клетки коры надпочечников, а тиротропин — на клетки щитовидной железы и т. д.
Детальные исследования показали, что действие большинства белковых и пептидных гормонов приводит к стимуляции активности аденилциклазы и увеличению концентрации в клетках-мишенях цАМФ, с которым связана дальнейшая передача информации гормонального воздействия при активном участии целого ряда протеинкиназ. цАМФ выполняет роль внутриклеточного медиатора-посредника гормона, обеспечивающего повышение активности зависимых от него протеинкиназ в цитоплазме и ядрах клеток. В свою очередь, цАМФ-зависимые протеинкиназы катализируют фосфорилирование белков рибосом, что имеет прямое отношение к регуляции синтеза белков в клетках-мишенях при воздействии пептидных гормонов.
Стероидные гормоны, катехоламины, гормоны щитовидной железы в связи с малыми размерами молекул проходят через мембрану клеток и вступают в связь с рецепторами цитоплазмы внутри клеток. В дальнейшем стероидные гормоны в комплексе со своими рецепторами, представляющими белки кислого характера, переходят в ядро клетки. Допускают, что пептидные гормоны, по мере расщепления гормон-рецепторных комплексов, также воздействуют на специфические рецепторы цитоплазмы, комплекса Гольджи и оболочки ядра.
Не все гормоны стимулируют активность фермента аденилциклазы и увеличение ее концентрации в клетках. Некоторые пептидные гормоны, в частности инсулин, оцитоцин, кальцитонин, оказывают на аденилциклазу тормозящее воздействие. Физиологический эффект их действия, как полагают, обусловлен не увеличением концентрации цАМФ, а ее уменьшением. При этом в клетках, обладающих специфической чувствительностью к упомянутым гормонам, повышается концентрация другого циклического нуклеотида — циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ). Результат действия гормонов в клетках организма в конечном итоге зависит от воздействия обоих циклических нуклеотидов — цАМФ и цГМФ, являющихся универсальными внутриклеточными медиаторами — посредниками гормонов. В отношении действия стероидных гормонов, которые в комплексе со своими рецепторами проникают в ядро клетки, роль цАМФ и цГМФ как внутриклеточных посредников считают сомнительной.
Многие, если не все, гормоны конечный физиологический эффект проявляют опосредованно — через изменение биосинтеза белков-ферментов. Биосинтез белков является сложным многоэтапным процессом, осуществляемым при активном участии генного аппарата клеток.
Регулирующее воздействие гормонов на биосинтез белков осуществляется в основном путем стимуляции РНК-полимеразной реакции с образованием рибосомных и ядерных видов РНК, а также информационных РНК и путем влияния на функциональную активность рибосом и другие звенья белкового обмена. Специфические протеинкиназы в ядрах клеток стимулируют фосфорилирование соответствующих белковых компонентов и РНК-полимеразную реакцию с образованием информационных РНК, кодирующих синтез белков в клетках и органах-мишенях. При этом в ядрах клеток осуществляется дерепрессирование генов, которые освобождаются от угнетающего действия специфических репрессоров — ядерных белков-гистонов.
Такие гормоны, как эстрогены и андрогены в ядрах клеток связываются с белками-гистонами, репрессирующими соответствующие гены, и тем самым приводят генный аппарат клеток в активное функциональное состояние. При этом андрогены влияют на генный аппарат клеток слабее, чем эстрогены, что обусловлено более активным соединением последних с хроматином и ослаблением синтеза РНК в ядрах.
Вместе с активизацией белкового синтеза в клетках осуществляется образование белков-гистонов, являющихся репрессорами активности генов, а это препятствует метаболическим функциям ядер и чрезмерному проявлению стимуляции роста. Следовательно, в ядрах клеток имеется свой механизм генетической и митотической регуляции метаболизма и роста.
В связи с влиянием гормонов на анаболические процессы в организме усиливается ретенция питательных веществ корма и, следовательно, увеличивается количество субстратов для межуточного обмена веществ, активизируются регулирующие механизмы биохимических процессов, связанные с более эффективным использованием азотистых и других соединений.
На процессы синтеза белков в клетках оказывают влияние соматотропин, кортикостероиды, эстрогены, а также тироксин. Эти гормоны стимулируют синтез различных информационных РНК и тем самым усиливают синтез соответствующих белков. В процессах белкового синтеза важное значение принадлежит также инсулину, который стимулирует связывание информационных РНК с рибосомами и, следовательно, активирует синтез белков. Путем активации хромосомного аппарата клеток гормоны влияют на увеличение скорости белкового синтеза и концентрации ферментов в клетках печени и других органов и тканей. Однако механизм влияния гормонов на внутриклеточный обмен изучен еще недостаточно.
Действие гормонов, как правило, тесно связано с функциями ферментов, обеспечивающими биохимические процессы в клетках, тканях и органах. Гормоны участвуют в биохимических реакциях как специфические активаторы или ингибиторы ферментов, оказывая свое влияние на ферменты путем обеспечения их связи с различными биоколлоидами.
Поскольку ферменты являются белковыми телами, воздействие гормонов на их функциональную активность проявляется прежде всего путем влияния на биосинтез ферментов и катаболических белков-коферментов. Одним из проявлений активности гормонов является их участие во взаимодействии ряда ферментов в различных звеньях сложных реакций и процессов. Как известно, в построении коферментов определенную роль выполняют витамины. Полагают, что в этих процессах регулирующую функцию также выполняют гормоны. Например, кортикостероиды оказывают влияние на фосфорилирование некоторых витаминов группы В.
Для простагландинов особенно важным является их высокая физиологическая активность и очень малое побочное действие. В настоящее время известно, что простагландины действуют внутри клеток подобно медиаторам и играют важную роль в реализации эффекта действия гормонов. При этом активизируются процессы синтеза циклического аденозинмонофосфата (цАМФ), способного передавать узконаправленное действие гормонов. Возможно допустить, что фармакологические вещества внутри клеток действуют благодаря выработке специфических простагландинов. Сейчас во многих странах изучается механизм действия простагландинов на клеточно-молекулярном уровне, так как всестороннее изучение действия простагландинов может дать возможность целенаправленно воздействовать на обмен веществ и другие физиологические процессы в организме животных.
На основании изложенного можно сделать заключение, что гормоны оказывают в организме животных сложное и разностороннее действие. Комплексное влияние нервной и гуморальной регуляции обеспечивает согласованное течение всех биохимических и физиологических процессов. Однако в тончайших деталях механизм действия гормонов еще достаточно не изучен. Эта проблема интересует многих ученых и представляет большой интерес для теории и практики эндокринологии, а также животноводства и ветеринарии.