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37.2: 荷尔蒙的工作原理

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    培养技能

    • 解释激素是如何起作用的
    • 讨论不同类型的激素受体的作用

    激素通过与特定的激素受体结合来介导靶细胞的变化。 这样，尽管激素在全身循环并与许多不同的细胞类型接触，但它们只影响具有必要受体的细胞。 特定激素的受体可能存在于许多不同的细胞中，也可能局限于少数特殊细胞。 例如，甲状腺激素作用于许多不同的组织类型，刺激全身的新陈代谢活动。 细胞可以有许多相同激素的受体，但通常也具有不同类型激素的受体。 对激素有反应的受体的数量决定了细胞对该激素的敏感性以及由此产生的细胞反应。 此外，对激素有反应的受体数量可能会随着时间的推移而变化，从而导致细胞敏感性增加或降低。 在上调时，受体的数量会随着激素水平的升高而增加，从而使细胞对激素更加敏感，并允许更多的细胞活动。 当受体数量因激素水平升高（称为下调）而减少时，细胞活性就会降低。

    受体结合会改变细胞活性，导致正常身体过程的增加或减少。 根据蛋白质受体在靶细胞上的位置和激素的化学结构，激素可以通过与细胞内激素受体结合并调节基因转录来直接介导变化，也可以通过与细胞表面受体结合和刺激来间接介导变化信号通路。

    细胞内激素受体

    类固醇激素等脂质衍生（可溶性）激素在内分泌细胞膜上扩散。 一旦进入细胞，它们就会与转运蛋白结合，使它们在血液中保持溶解。 在靶细胞上，激素从载体蛋白中释放出来，扩散到细胞质膜的脂质双层上。 类固醇激素穿过靶细胞的质膜并粘附到存在于细胞质或细胞核中的细胞内受体上。 类固醇激素诱导的细胞信号通路调节细胞 DNA 上的特定基因。 激素和受体复合物通过增加或减少特定基因的mRNA分子的合成，起到转录调节剂的作用。 这反过来又决定了通过改变基因表达而合成的相应蛋白质的数量。 这种蛋白质既可以用来改变细胞的结构，也可以用来产生催化化学反应的酶。 通过这种方式，类固醇激素调节特定的细胞过程，如图所示\(\PageIndex{1}\)。

    插图显示了一种激素穿过细胞膜并附着在 NR/HSP 复合物上。 该复合物分离，释放出热休克蛋白和 NR/激素复合物。 该复合物二聚化，进入细胞核，并附着在 DNA 上的 HRE 元素上，从而触发某些基因的转录。
    图\(\PageIndex{1}\)：细胞内核受体（NR）位于与热休克蛋白（HSP）结合的细胞质中。 激素结合后，受体与热休克蛋白分离并转移到细胞核。 在细胞核中，激素受体复合物与称为激素反应元素（HRE）的DNA序列结合，从而触发基因转录和翻译。 然后，相应的蛋白质产物可以介导细胞功能的变化。

    练习\(\PageIndex{1}\)

    热休克蛋白（HSP）之所以这样命名，是因为它们有助于重叠错误折叠的蛋白质。 为了应对温度升高（“热休克”），热休克蛋白通过释放NR/HSP复合物而激活。 同时，HSP基因的转录被激活。 你为什么认为细胞对热休克的反应是增加有助于重叠错误折叠蛋白质的蛋白质的活性？

    回答

    蛋白质在较高的温度下会展开或变性。

    其他不是类固醇激素的脂溶性激素，例如维生素D和甲状腺素，其受体位于细胞核中。 激素在质膜和核包膜上扩散，然后与细胞核中的受体结合。 激素受体复合物刺激特定基因的转录。

    质膜激素受体

    氨基酸衍生的激素和多肽激素不是脂质衍生的（脂溶性），因此不能通过细胞的质膜扩散。 脂质不溶性激素通过质膜激素受体与质膜外表面的受体结合。 与类固醇激素不同，脂质不溶性激素不会直接影响靶细胞，因为它们无法进入细胞并直接作用于DNA。 这些激素与细胞表面受体的结合会激活信号通路；这会触发细胞内活动并产生与激素相关的特异作用。 这样，没有任何东西会穿过细胞膜；在表面结合的激素留在细胞表面，而细胞内产物则留在细胞内。 启动信号通路的激素被称为第一信使，它激活细胞质中的第二个信使，如图所示\(\PageIndex{2}\)。

    插图显示肾上腺素与β-肾上腺素能受体的细胞外表面结合。 当与受体细胞内表面相关的G蛋白被GTP取代时，与受体细胞内表面相关的G蛋白被激活。 G 蛋白激活腺苷环化酶，该酶将 ATP 转化为 cAMP，触发细胞反应。
    图\(\PageIndex{2}\)：氨基酸衍生激素肾上腺素和去甲肾上腺素与细胞质膜上的 β-肾上腺素能受体结合。 激素与受体结合会激活 G 蛋白，进而激活腺苷环化酶，将 ATP 转化为 cAMP。cAMP 是介导细胞特异性反应的第二个信使。 一种叫做磷酸二酯酶的酶会分解 cAMP，终止信号。

    一个非常重要的第二个信使是循环 AMP (cAMP)。 当激素与其膜受体结合时，与受体相关的 G蛋白被激活；G蛋白是与细胞膜中发现的受体分离的蛋白质。 当激素未与受体结合时，G蛋白处于非活性状态，并与二磷酸鸟苷或GDP结合。 当激素与受体结合时，G蛋白通过结合三磷酸鸟苷或GTP代替GDP来激活。 结合后，GTP 被 G 蛋白水解成 GDP 并变得无活性。

    活化的 G 蛋白反过来会激活一种称为腺苷环化酶的膜结合酶。 腺苷环化酶催化 ATP 向 cAMP 的转化。cAMP 反过来激活一组称为蛋白激酶的蛋白质，这些蛋白质在称为磷酸化的过程中将磷酸基从 ATP 转移到底物分子。 底物分子的磷酸化会改变其结构方向，从而激活它。 然后，这些活化分子可以介导细胞过程的变化。

    随着信号通路的进展，激素的作用会被放大。 激素与单个受体的结合会激活许多 G 蛋白，从而激活腺苷环化酶。 然后，腺苷环化酶的每个分子都会触发许多 cAMP 分子的形成。 由于蛋白激酶一旦被 cAMP 激活即可催化许多反应，因此会发生进一步扩增。 通过这种方式，少量的激素可以触发大量细胞产物的形成。 为了停止激素活性，cAMP 被细胞质酶磷酸二酯酶（PDE）失活。 偏微分方程始终存在于细胞中并分解 cAMP 以控制激素活性，防止细胞产物的过量生产。

    细胞对脂质不溶性激素的特定反应取决于细胞膜上存在的受体的类型和细胞质中存在的底物分子。 细胞对受体激素结合的反应包括改变膜通透性和代谢途径、刺激蛋白质和酶的合成以及激活激素释放。

    摘要

    激素通过与靶细胞上的受体结合而引起细胞变化。 靶细胞上的受体数量可因激素活性而增加或减少。 激素可以通过细胞内激素受体直接影响细胞，也可以通过质膜激素受体间接影响细胞。

    脂质衍生（可溶性）激素可以通过在质膜上扩散并与DNA结合来进入细胞，从而调节基因转录，并通过诱导影响细胞长期结构和功能的蛋白质的产生来改变细胞的活性。 脂质不溶性激素与质膜表面的受体结合，通过诱导短期内影响细胞的各种细胞产物的产生，触发信号通路改变细胞的活性。 这种激素被称为第一信使，细胞成分被称为第二个信使。 G 蛋白激活第二个信使（循环 AMP），触发细胞反应。 随着信号通路的进展，对激素结合的反应被放大。 细胞对激素的反应包括蛋白质和酶的产生以及膜通透性的改变。

    词汇表

    腺苷酸环化酶
    一种催化 ATP 转化为环状 AMP 的酶
    向下调节
    激素水平升高导致激素受体数量减少
    第一个信使
    与质膜激素受体结合以触发信号转导途径的激素
    G 蛋白
    一种由激素第一个信使激素激活的膜蛋白，用于激活环状AMP的形成
    激素受体
    与激素结合的细胞蛋白
    细胞内激素受体
    细胞质或细胞核中的激素受体
    磷酸二酯酶 (PDE)
    失活 cAMP、停止激素活性的酶
    质膜激素受体
    细胞质膜表面的激素受体
    向上调节
    激素水平升高导致激素受体数量增加