Эндокрин сист лекц 1 2

Введение

Специализированный аппарат межклеточной регуляции представлен в большинстве животных организмов нервной и эндокринной системами . Первая обеспечивает быстрый и относительно кратковременный способ регуляции, вторая - преимущественно более медленный и длительный контроль.

Изучением эндокринной системы занимается эндокринология . Поскольку биологическая роль эндокринной системы сводится к регуляции различных процессов жизнедеятельности многоклеточного организма, эндокринологию можно определить как науку о гуморальной химической регуляции функций организма, ее общих принципах и закономерностях, но такое определение недостаточно конкретно и полно, так как и неэндокринные гуморальные факторы (медиаторы, ионы, местные гормоны и т.д.) также выполняют регуляторные функции.

Иными словами, эндокринологию можно определить как биологическую науку об эндокринных железах , гормонах и гормональной регуляции процессов жизнедеятельности животного организма.

Исключительная роль эндокринной системы в регуляции различных жизненных процессов обуславливает значение эндокринологии как важнейшей общебиологической науки. Однако эндокринология не только фундаментальная теоретическая область биологии. В связи с тем, что расстройства эндокринных функций занимают значительное место в человеческой патологии, эндокринология представляет собой также видную отрасль клинической медицины.

Клиническая эндокринология разрабатывает не только проблемы первичной патологии желез внутренней секреции - таких заболеваний, как ди- абет, тиреотоксикоз, аддисонова болезнь и др., но и занимается вопросами гормональной терапии множества неэндокринных заболеваний, таких, как коллагенозы (ревматизм, ревматоидный артрит, системная красная волчанка и др.), аллергические заболевания, опухоли, сердечно-сосудистые расстройства, гинекологические болезни, дистрофии, шоки и т.д.

Способность тканей-мишеней распознавать гормоны определяется присутствием в них рецепторных белков , которые специфически связывают гормон. Как правило, это взаимодействие обуславливает изменение конформации рецептора, что "запускает" последующие этапы реакции на гормон.

Отдельные типы клеток запрограммированы на определенные реакции, индуцируемые состоянием данного рецептора. Через данный класс рецепторов обычно могут действовать несколько гормонов, а иногда гормон может действовать через рецепторы нескольких классов (например, адреналин действует через альфа- и бета-адренергические рецепторы). В связи с этим, вероятно, легче всего классифицировать действие гормонов путем описания эффектов, опосредуемых конкретными классами рецепторов (альфа- и бета- адренергическими, инсулиновыми, глюкокортикоидными и др.). Рецепторы тироидных и стероидных гормонов обнаруживаются внутри клеток, и связывание гормонов с ними может изменять метаболизм, влияя на концентрацию отдельных видов мРНК.

Поскольку гормоны влияют на любую систему органов и столь широко участвуют в регуляции метаболизма, любая их классификация с позиций физиологических эффектов является чрезмерным упрощением. Тем не менее, иногда это делать полезно (например, тропные гормоны, стимулирующие продукцию других гормонов; гормоны, влияющие на углеводный обмен, и др.). Такая группировка позволяет обнаружить некоторые общности в механизмах действия гормонов и совокупностях вызываемых ими реакций. Это полезно и при рассмотрении организации эндокринной системы, проявляющейся координи- рованными реакциями отдельных гормонов и групп их, продукция которых может находиться под жестоким контролем. Она проявляется также другими механизмами, такими, как торможение гормональной продукции, прекрацение реакции на гормон или снижение клеточной чувствительности к гормонам. Наконец, действие других гормонов, стимулируемых первыми прямо или опосредованно через их эффекты, оказывает уравновешивающее действие, что позволяет более точно регулировать метаболизм.

Количество разных рецепторов в клетках одного организма, по-видимому, больше, чем количество специфических регуляторов, которые образуются в этом организме, так как многие гормоны и нейромедиаторы действуют не через один, а через несколько типов рецепторов.

Разные рецепторы одного и того же гормона могут вызывать совершенно разные биологические эффекты и использовать для этого разные регуляторные механизмы.

Кинетическая теория Кларка

Впервые попытку дать кинетическое описание всей системы проведения гормонального сигнала (от связывания с рецептором до реализации биологического эффекта) предпринял Кларк в 1926 г. Он предположил, что существует прямопропорциональная зависимость между долей рецепторов, связавшихся с веществом, и ответом ткани на это вещество. Иными словами, при оккупации гормоном 50% рецепторов развивается полумаксимальный биологический эффект, следовательно, константа сродства, определяемая в физиологоическом эксперименте, является истинной, характеризует сродство рецептора к гормону.

Вскоре, однако, было обнаружено, что максимальный биологический эффект может развиваться даже в том случае, если гормон оккупировал лишь малую долю рецепторов.

Так, например, после преинкубации гладких мышц, сердца и других тканей, с кураре или атропином образуется прочный комплекс между холинергическим рецептором и соответствующим антагонистом. Этот комплекс может разрушаться лишь в течение десятков минут, однако эффект ацетилхолина (причем такой же по величине, как и на непреинкубированной ткани) развивается уже спустя несколько секунд после начала отмывания рецептора от блокатора. Это противоречие эксперимента с теорией Кларка можно было объяснить вытеснением блокатора ацетилхолином путем отрицательной кооперативности. Однако выявление таких же эффектов при использовании блокаторов, которые необратимо связываются с рецептором (например, дибензамина), исключало такое объяснение. Стало ясно, что в клетке существует "избыток" рецепторов, благодаря чему гормон или его агонист может вызвать максимальный ответ даже тогда, когда он оккупирует лишь небольшую долю клеточных рецепторов.

Концентрация катехоламинов, циркулирующих в крови, равна 10^-9 - 10^-8M. Сродство рецепторов к этим гормонам обычно ниже (К=10^-7 - 10^-6М). Полумаксимльная активация аденилатциклазы в мембранных препаратах, выделенных из разных тканей, наблюдается в присутствии сравнительно высоких концентраций катехоламинов (10^-7 - 10^-6M), а влияние на гликогенолиз или липолиз в тканях (эффекты, опосредуемые синтезом цАМФ) обычно происходит в присутствии низких концентраций катехоламинов (10^-9 -10^-8М). Показано, что для проявления биологического эффекта катехоламинам достаточно связывание менее, чем с 1% бета- адренергических рецепторов. Существует также 100-кратый избыток рецепторов гистамина, не менее, чем 10-кратный "избыток" рецепторов глюкагона, ангиотензина, АКТГ и рецепторов многих других гормонов.

Тот факт, что оккупация гормоном небольшого количества клеточных рецепторов приводит к развитию максимального физиологического ответа ткани объясняется высокой степенью усиления гормонального сигнала (10⁵ - 10⁸ раз). Это значит, что при связывании с рецептором одной молекулы гормона в клетке может появиться (или исчезнуть) 10⁵- 10⁸ молекул определенных веществ или ионов. Существование "избытка" рецепторов обеспечивает клетке высокую чувствительность к внеклеточным регуляторам.

Как уже отмечалось, есть вещества, связывание которых с рецепторами вызывает такой же по величине эффект, как и связывание гормона (агонисты), есть и такие, при связывании которых никогда не достигается максимальный эффект (частичные агонисты), а есть вещества, и вовсе не вызывающие биологического эффекта, но связывающиеся с рецептором (антагонисты). Следовательно, величина биологического эффекта далеко не всегда отражает меру занятости рецепторов тем, или иным веществом.

Гормональные эффекты: кинетическая теория Пейтона

Интересную попытку объяснить, почему связывание с рецептором является обязательным, но недостаточным условием проявления эффекта, предпринял Пейтон. В противоположность "оккупационной" теории Кларка , он постулировал, что биологический эффект гормона и его агонистов определяется не концентрацией гормон-рецепторного комплекса, а скоростью с которой происходит связывание вещества с рецептором. "Оккупационная" теория , по мнению Пейтона, правильно описывает только эффекты антагонистов. В случае действия агонистов образовавшийся комплекс с рецептором остается инертным до тех пор, пока не распадется и один "квант" гормон-рецепторного комплекса, образовавшегося и затем распавшегося, вызывает один или несколько "квантов" биологического эффекта.

Согласно теории "скорости" Пейтона, от константы скорости распада комплекса рецептор-вещество зависит характер действия этого вещества: если K#- 1 высока - вещество является сильным агонистом , если средней величины - частичный агонист (одновременно проявляет и миметическое и литическое действие), если низка - вещество является а нтагонистоми.

Согласно "оккупационной" теории, между скоростями диссоциации - ассоциации комплекса вещество-рецептор и характером действия этого вещества связи не существует. Характер этого действия определяется некой "внутренней активностью" вещества. Теория Пейтона с помощью таких конкретных понятий, как константы скорости ассоциации и диссоциации, объясняет, почему одно вещество активирует, а другое - блокирует рецептор. По теории "скорости", оккупация рецепторов приводит к блокировани/ю биологического эффекта. Это положение может объяснить двухфазное влияние многих фармакологических агентов: при низких концентрациях они оказывают активирующее действие, а при высоких - блокирующее действие на рецептор.

Для многих веществ показано, что их сродство к рецептору определяется константой скорости диссоциации: чем меньше K#-1, тем больше сродство. Антагонисты имеют, как правило, большее сродство к рецептору, что находится в полном соответствии с теорией "скорости".

К сожалению, эта теория до сих пор не подвергнута необходимому экспериментальному анализу, поэтому в настоящее время ее приходится рассматривать только как интересную гипотезу. Отметим, что некоторые факты не укладываются в теорю "скорости". Так, например, стероидные гормоны могут влиять на процессы транскрипции, только находясь в комплексе со своими рецепторами. От момента образования такого комплекса в цитоплазме до взаимодействия с хроматином может проходить несколько минут или даже десятков минут. Отщепление гормона от рецептора лишает последний способности взаимодействовать с хроматином и тем самым проявлять биологический эффект.

Лекция 1. Химическая классификация и строение гормонов

Гормоны: принципы классификации Как правило, гормоны классифицируют в соответствии с их метаболическими эффектами. Хотя такая класссификация представляется весьма простой, на деле она встречается с определенными трудностями. Кортизол , например, в физиологических концентрациях может обладать таким же влиянием на солевой обмен , что и альдостерон или дезоксикортикостерон . Следует ли считать это глюкокортикоидным действием? Инсулин в высоких концентрациях может вызывать тот же эффект, что и соматомедин .

Считать ли это действие инсулиноподобным или соматомединоподобным? Объяснение этого перекрывания активностей сводится к тому, что инсулин при его достаточной концентрации может связываться с рецептором соматомедина и, тем самым, действовать через этот рецептор, а кортизол может связываться и действовать через минералокортикоидный рецептор, опосредующий эффект альдостерона.

В этих положениях скрывается способ оценки гормональных эффектов и их классификации по характеру рецепторов , которые опосредуют определенные реакции.

На самом деле такой способ классификации гормональных эффектов уже давно используют в фармакологии. Например, эффекты катехоламинов классифицируют либо как альфа-, либо как бета-адренергические, а бета- адренергические дальше подразделяют на бета1- и бета2-эффекты. Таким образом, рецепторы , опосредующие гормональные влияния, можно характеризовать, исходя из непосредственного исследования их связывающей способности и характера реакций, являющихся результатом связывания с ними гормонов. В эндокринологии рецепторы обычно называют по названию основного гормона или класса гормонов, осуществляющих через них свое действие (инсулиновые, андрогенные рецепторы, рецепторы АКТГ и др.). Это позволяет легко описывать феноменологию действия гормонов одного класса через рецепторы другого класса (например, глюкокортикоидное действие кортизола через минерало-кортикоидные рецепторы или инсулиновое действие инсулина через соматомединовые рецепторы), причем есть обстоятельства, при которых такие эффекты могут иметь значение.

В поддержании упорядоченности и согласованности всех физиологических и метаболических процессов живого организма участвует около 100 гормонов и нейромедиаторов. Это белки, полипептиды пептиды, некоторые аминокислоты, производные аминокислот, стероиды, производные жирных кислот, некоторые нуклеотиды, эфиры и т.д. Структурно эти гормоны можно разделить на типы:

1) белково-пептидные гормоны ,

2) стероидные гормоны и

3) гормоны - производные аминокислот .

4) Гормоны: малые водорастворимые молекулы

Структурное сходство различных стероидных гормонов, возникающих из общего предшественника холестерина , признается уже многие годы. Однако, только сравнительно недавно стало очевидным, что многие пептидные гормоны также являются членами структурных семейств, возникших в процессе эволюции из общих предшественников.

Структурная классификация гормонов представляет не только биохимический интерес, но позволяет также предсказывать функциональные характеристики гормонов. Например, свойство растворимости гормона (гидрофильность и гидрофобность) определяется его структурой, и это позволяет постулировать, каким образом гормон транспортируется кровью и предположить общий механизм его биологического действия. В дополнение к структурной классификации гормоны классифицируются также по функциональным признакам как "тропные" и "не тропные" гормоны. Тропный (или трофный) гормон секретируется одной эндокринной железой, и его первичной функцией является регуляция деятельности другой эндокринной железы. В свою очередь секреция тропного гормона обычно находится под контролем гормона из железы, которую он регулирует.

1.1.Производные аминокислот.

Гормоны - производные аминокислот Известные представители этого класса гормонов - производные двух аминокислот:

L- тирозина и L- триптофана .

Гормоны - производные тирозина - это гормоноиды

катехоламины и тиреоидные гормоны , а

гормоны - производные триптофана - это мелатонин .

Мелатонин - Производное триптофана - индоламин мелатонин - гормон эпифиза . По структуре - это N-ацетил-5-метокситриптамин.

Главная функция этого гормона - конденсирование меланинов ( пигментов ) вокруг ядра в меланофорах ( пигментных клетках ), приводящее к просветлению покровных тканей. Роль мелатонина в регуляции пигментного обмена наиболее выражена у низших позвоночных. Наряду с влиянием на пигментный обмен, мелатонин (структурная ф-ла см рис 2а) способен в определенных концентрациях вызывать у разных видов позвоночных антигонадотропный эффект .

Кроме мелатонина в эпифизе образуется и аккумулируется другое биологически активное, но негормональное производное триптофана - серотонин ( 5-оксиртриптамин ), близкое по структуре к мелатонину и один из ближайших его предшественников в процессе биосинтеза. В соответствии с этим мелатонин может рассматриваться не только как производное триптофана, точнее триптамина, но и как производное серотонина. Очевидно, для проявления специфической биологической активности мелатонина, отличающейся от активности серотонина, очень важно метилирование 5-оксигруппы в индольном кольце и наличие ацетильной группы боковой цепи молекулы гормона. При этом N-ацетильная группа, видимо, важна прежде всего для снятия биологической активности серотонина.

Помимо влияния на внутриклеточную локализацию пигмента в коже (что нашло отражение в названии гормона), которая опосредуется мембранными рецепторами гормона, мелатонин играет важную роль в регуляции полового созревания и сезонности размножения, проявляет антипролиферативную активность в отношении ряда клеток, включая раковые, служит ловушкой для свободных радикалов, оказывает многие другие эффекты [ Линкольн ea 199? , Reiter, ea 1995 , Моr, ea 1999 ].

Мелатонин и его аналоги, взаимодействующие преимущественно с ядерными рецепторами подсемейства ROR/RZR, в экспериментах с трансфекцией репортерных конструкций, содержащих RORE, существенно повышают трансактивирующее действие этих рецепторов [ Schrader, ea 1973 , Missbach, ea 1996 ], хотя и не во всех исследованиях [ Greiner, ea 1996 ]. Возможно, именно действием мелатонина объясняется стимуляция транскрипционной активности этих рецепторов в присутствии сыворотки крови плодов телят [ Carlberg, ea 1994 , Matsui, ea 1995 ]. Вместе с тем эксперименты с введением мелатонина in vivo пока не дали однозначного ответа на вопрос о том, действительно ли мелатонин является физиологическим регулятором активности рецепторов группы ROR/RZR и какие именно физиологические функции он регулирует через эти рецепторы [ Missbach, ea 1996 ].

Можно ожидать, что применение классических эндокринологических подходов (эпифиз-эктомии, заместительной терапии, введения антигормонов) позволит более определенно ответить на эти вопросы. Открытие взаимодействия рецепторов группы ROR/RZR с мелатонином стимулировало поиск других лигандов этих рецепторов и такие лиганды были обнаружены среди лекарственных препаратов группы тиазолидиндионов , проявляющих антиартритную активность. Выявлена высокая корреляция между способностью ряда тиазолидиндионов активировать RORaльфа и оказывать профилактическое и терапевтическое действие на артрит у крыс, вызванный введением адъюванта. В то же время аналог мелатонина S 20098 , активный в отношении мембранных рецепторов гормона, был полностью лишен способности активировать RORaльфа и купировать развитие артрита [ Missbach, ea 1996 ].

Класс химических соединений	Гормон (сокращенное название)	Основной источник
Амины	Дофамин	ЦНС
	Норадреналин	ЦНС, мозговой слой надпочечников
	Адреналин	Мозговой слой надпочечников
	Мелатонин	Эпифиз
Иодтиронины	Тироксин (Т4)	Щитовидная железа
	Трииодтиронин (Т3)	Периферические ткани (щитовидная железа)
Небольшие пептиды	Вазопрессин (антидиуретический гормон, АДГ)	Задняя доля гипофиза
	Окситоцин	Задняя доля гипофиза
	Меланоцитстимулирующий гормон (МСГ)	Промежуточная доля гипофиза
	Тиреотропин – рилизинг гормон (ТРГ)	Гипоталамус, ЦНС
	Гонадотропин-рилизинг гормон (ГнРГ, ЛГ-РГ)	Гипоталамус, ЦНС
	Соматостатин (СРИФ)	Гипоталамус, ЦНС, панкреатические островки
	Кортикотропин-рилизинг-гормон (КРГ)	Гипоталамус, ЦНС
	Соматокринин (СТГ-РГ, СТГ-РФ)	Островковые опухоли, гипоталамус, ЦНС
	Ангиотензины (А II, А III)	Кровь (из предшественника), ЦНС
Белки	Инсулин	бета-клетки, панкреатические островки
	Глюкагон	альфа-клетки, панкреатические островки
	Гормон роста, или соматотропин (ГР, СТГ)	Передняя доля гипофиза
	Плацентарный лактоген (ПЛ)	Плацента
	Пролактин (ПРЛ)	Передняя доля гипофиза
	Паратиреоидный гормон, или паратгормон (ПТГ)	Паращитовидные железы
	бета-.липотропин и энкефалин	Гипофиз, ЦНС
	Кальцитонин	К-клетки, щитовидная железа
	Адренокортикотропный гормон (АКТГ)	Передняя доля гипофиза
	Секретин	Желудочно-кишечный тракт, ЦНС
	Холецистокинин (ХЦК)	Желудочно-кишечный тракт, ЦНС
	Гастрин	Желудочно-кишечный тракт, ЦНС
	Желудочный ингибиторный пептид (ЖИП)	Желудочно-кишечный тракт
Гликопротеины	Фолликулостимулирующий гормон (ФСГ)	Передняя доля гипофиза
	Лютеинизирующий гормон (ЛГ)	Передняя доля гипофиза
	Хорионический гонадотропин (ХГ)	Плацента
	Тиреотропный гормон (ТТГ)	Передняя доля гипофиза
Стероиды	Эстрогены (Э2, Э3)	Яичники, плацента
	Прогестерон (П)	Желтое тело, плацента
	Тестостерон (Т)	Семенники
	Дигидротестостерон (ДГТ)	Ткани, чувствительные к тестостерону
	Глюкокортикоиды	Кора надпочечников
	Альдостерон	Кора надпочечников
	Метаболиты холекальциферола (вит. D)	Печень, почки

1.1.1.Амины.

Амин — органическое соединение, производное аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены на углеводородные радикалы. По числу замещённых атомов водорода различают соответственно первичные, вторичные и третичные амины. Четвертичная аммониевая соль вида [R₄N]⁺C^l- является органическим аналогом аммониевой соли. По характеру органической группы, связанной с азотом, различают алифатические CH₃-N< и ароматические С₆H₅-N< амины. По числу NH2-групп в молекуле амины делят на моноамины, диамины, триамины и т. д.

Биогенные амины (biogenic amines) [греч. bio(s) — жизнь и genes — порождающий, рождающийся; англ. amino — группа NH₂, от ammonia — аммиак, от лат. sal ammoniacus — соль Аммона, нашатырь] — группа азотсодержащих органических соединений, образующихся в организмах человека, животных, растений и бактерий путем декарбоксилирования аминокислот, т. е. отщепления от них карбоксильной группы (-COOH). Наиболее известны кадаверин, путресцин, агматин, которые образуются соответственно из лизина, орнитина и аргинина. К Б.а. относятся также некоторые гидрофильные гормоны (гистамин, серотонин, мелатонин). Многие Б.а. синтезируются при анаэробных (гнилост-ных) процессах распада белковых веществ (в т. ч. в кишечнике), вызванных микроорганизмами (см. Анаэробы, анаэробные организмы), они часто токсичны для животных и человека

гистамин, серотонин, адреналин и норадреналин.

1.1.2.Иодтиронины.

Гормоны тиреоидные:

В основе структуры тиреоидных гормонов лежит тирониновое ядро , которое состоит из двух конденсированных молекул L- тирозина . Важнейшая структурная характеристика гормональноактивных производных тиронина - наличие в их молекуле 3 или 4 атомов йода . Таковы трийодтиронин ( 3,5,3'-трийодтиронин , Т3 ) и

тироксин ( 3,5,3',5'-тетрайодтиронин , Т4 ) - гормоны фолликулярных клеток щитовидной железы позвоночных, осуществляющие регуляцию иодного обмена , энергообмена , синтеза белка и развития организма . Структура тироксина впервые охарактеризована Кендаллом (1915), трийодтиронина - Гроссом и Питт-Риверсом (1952).

Т3 и Т4 *обнаружены также в некоторых синезеленых водорослях.

В отличие от катехоламинов , тирониновые гормоны за счет присутствия в их молекуле двух плоских бензольных колец относительно плохо растворимы в воде при нейтральных значениях рН. Их водорастворимость значительно возрастает при увеличении щелочности среды. Вместе с тем они хорошо растворимы в некоторых спиртах и, в частности, в бутаноле, что используется при определении гормонов в плазме крови и тканях. В связи с относительно низкой полярностью тирониновых соединений они обладают достаточно выраженной липофильностью и, в отличие от катехоламинов, срав- нительно легко могут проходить через клеточные мембраны.

Тиреоидные гормоны проникают в ядро и взаимодействуют со своими рецепторами, далее гормон-рецепторный комплекс изменяет транскрипцию соответствующих генов. 

Тиреоидные гормоны усиливают действие бета-адреностимуляторов, увеличивая плотность бета-адренорецепторов и эффективность сопряжения активации рецепторов с клеточной реакцией.

Биологическая активность тиреоидных гормонов определяется совокупностью структурных особенностей их молекулы: целостностью тиронинового ядра и присутствием 3 или 4 атомов йода в определенных позициях ядра. В случае разрушения тирониновой структуры происходит почти полная инактивация этих гормонов. Так, йодтирозины практически неактивны по сравнению с йодтирониновыми гормонами . Также неактивны дезаминированные ( йодтиропировиноградные кислоты ) и декарбоксилированные ( йодтироуксусные кислоты ) метаболиты гормонов. Не менее важную роль в проявлении специфической активности гормонов играют степень их йодирования и положения атомов иода в кольцах. Так, монойодтиронины и дийодтиронины биологически неактивны. Активны лишь тиронины , содержащие 3 или 4 атома йода. При этом наибольшее значение имеет йодирование 3-го и 5-го положений в кольце А и 3'-го положения кольца В. Показано, что наибольшей силой биологического действия обладает 3,5,3'-трийодтиронин , тетрайодтиронин ( тироксин ) менее эффективен, а 3,3',5'-трийодтиронин вообще не обладает гормональной активностью. Считается, что 3,5,3'-трийодтиронин - не только секретируемый гормон, но и активированная на периферии форма тироксина .

1.2.Пептидные гормоны.

Белково-пептидные гормоны.В процессе образования белковых и пептидных гормонов в клетках эндокринных желез происходит образование полипептида, не обладающего гормональной активностью. Но такая молекула в своем составе имеет фрагмент(ы), содержащий(е) аминокислотную последовательность данного гормона. Такая белковая молекула называется пре-про-гормоном и имеет в своем составе (обычно на N-конце) структуру, которая называется лидерной или сигнальной последовательностью (пре-). Эта структура представлена гидрофобными радикалами и нужна для прохождения этой молекулы от рибосом через липидные слои мембран внутрь цистерн эндоплазматического ретикулума (ЭПР). При этом, во время перехода молекулы через мембрану в результате ограниченного протеолиза лидерная (пре-) последовательность отщепляется и внутри ЭПР оказывается прогормон. Затем через систему ЭПР прогормон транспортируется в комплекс Гольджи и здесь заканчивается созревание гормона. Вновь в результате гидролиза под действием специфических протеиназ отщепляется оставшийся (N-концевой) фрагмент (про-участок). Образованная молекула гормона, обладающая специфической биологической активностью поступает в секреторные пузырьки и накапливается до момента секреции.

При синтезе гормонов из числа сложных белков гликопротеинов (например, фолликулостимулирующего (ФСГ) или тиреотропного (ТТГ) гормонов гипофиза) в процессе созревания происходит включение углеводного компонента в структуру гормона.

Может происходить и внерибосомальный синтез. Так синтезируется трипептид тиролиберин (гормон гипоталамуса).

Белково-пептидные гормоны.

молекулярные механизмы действия

В современной биологической науке трудно найти другую про­блему, которая привлекала бы такое же пристальное внимание ученых-биологов различных специальностей, как функционирование белково-пептидных гормонов (БПГ).

Во-первых, данный вопрос имеет большое общетеоретическое значение, поскольку он непосредственно связан с проблемой саморе­гуляции организма как целостной живой системы. Сюда входят и "принцип обратной связи", и вопросы специфичности (или циторецепции) БПГ, и проблема кодирования и передачи информации в жи­вых системах, и "принцип биохимической универсальности" и др.

Во-вторых, понимание процессов регуляции гомеостаза и внут­риклеточного метаболизма посредством БПГ невозможно без четкого представления о структуре гормона, его аминокислотной последова­тельности и пространственной конфигурации, а также о строении и функционировании ПМ клеток-мишеней, поскольку последние — точ­ка приложения гормональной активности и обеспечивают медиирова-ние информации с гормона внутрь клетки.

В-третьих, необходимо выделить клиническое значение данной проблемы, ибо многие вопросы этиологии, патогенеза и лечения эн­докринных заболеваний целиком зависят от ее успешного решения.

И, наконец, решение этой проблемы имеет практическое значе­ние, выражающееся в поиске путей синтеза искусственных гормонов и их заменителей, где бы сочеталась экономность решения с его эффек­тивностью.

5.1. Классификация и химическая структура бпг

Как известно, к БПГ относятся гормоны гипофиза, поджелудочной и щитовидной желез, а так же рилизинг-гормоны, или рилизинг-факторы гипоталамуса. Передняя доля гипофиза секретирует гормоны: адренокортикотропный (АКТГ), фолликулостимулирующий (ФСГ), липотропный (ЛПТГ), соматотропный (СТГ), тиреотропный (ТТГ), лактогенный (ЛТГ), лютеинизирующий (ЛГ); промежуточная доля — меланоцитстимулирующий гормон (МСГ); задняя доля - окситоцин и вазопрессин. Поджелудочная железа секретирует инсулин и глюкагон. В щитовидной железе образуется тиреокальцитонин.

По химическому строению БПГ разнообразны. Большинство из них представляет собой простые пептиды, образованные одной пептидной цепью, в состав которой входит различное число аминокислотных ос­татков — от 3 в тиреотропинрилизинг-факторе до 198 в ЛТГ. В отличие от других БПГ, молекула инсулина состоит из двух пептидных цепей, связанных между собой дисульфидными мостиками. ЛГ, ФСГ и ТТГ — сложные белки-гликопротеиды.

5.2. Рецепторы бпг

Процесс реализации биологической активности БПГ формально можно разбить на три последовательные стадии: 1) связывание с мем­браной клетки-мишени; 2) транслокация биологической активности гормона внутрь клетки — образование медиатора(ов) и 3) реализация активности медиатора — ответ клетки.

С рецепторами ПМ для БПГ связана проблема направленной специфики гормонального действия, или органотропности. Физиоло­гические концентрации БПГ в крови незначительны. Для СТГ, напри­мер, она составляет около 5-10"¹¹, инсулина - 10"¹⁰, глюкагона -310"¹⁰М. Естественно, что поддержание гомеостаза путем изменения клеточного метаболизма в случае низких концентраций гормонов воз­можно лишь, если гормоны будут заранее "знать", с какой клеткой ка­кого органа им необходимо связаться.

Предположения о наличии рецепторов БПГ в мембранах клеток-мишеней высказывались давно (в частности, Sutherland et al., 1962), но детальное изучение данного вопроса началось лишь с 1969 г., когда широкое применение нашли меченые ¹²⁵1 гормоны (Lefkowitz et al., 1969). Было показано, что связывание каждого гормона происходит строго специфично, т. е. исключительно с клетками определенных органов. Затем- в 1971 г. был выделен высокомолекулярный комплекс, содержащий инсулин и белок, который, как предполагалось, отвечает за связывание инсулина и защищает его от расщепления. В 1972 г. Cuatrecasas выделил и исследовал основные физико-химические свой­ства этого белка-рецептора инсулина.

К настоящему времени выделены рецепторные белки практиче­ски для всех БПГ, определены органные точки приложения гормо­нальных активностей. Однако органотропность — понятие довольно неопределенное, ибо орган — полифункциональное образование, а от­сюда и клетки одного и того же органа различаются между собой строением, метаболизмом, а также эффекторным действием. Для такой "тонкой работы", которую выполняют гормоны, необходим более диф­ференцированный подход к понятию тропности, и неслучайно, что рецепторы БПГ даже в пределах одного органа различаются в качест­венном и количественном отношении в зависимости от функции клеток.

Примером может служить локализация рецептора АКТГ в раз­личных зонах коры надпочечника морских свинок, которая определя­лась измерением зависимой от АКТГ активности аденилатциклазы. Оказалось, что наибольшее ее повышение происходит на границе ме­жду клубочковой и пучковой зонами, а также в сетчатой зоне. Это подтвердилось и в опытах in vivo (Golder и Boyns, 1972).

Подобные сведения были получены при исследовании влияния ЛГ на клетки фолликулов яичников свиньи, где клетки зернистого слоя крупных фолликулов в сравнении со средними и малыми связы­вали ЛГ в 10-100 раз больше. В тех же тканях, на которые направлено действие нескольких гормонов, например жировой ткани, рецепторы разных гормонов различаются между собой.

Разбирая вопросы рецепторов БПГ, М.А. Панов и В.И. Самойлов (1975) приводят две группы фактов, свидетельствующих о локализации рецепторов на внешней стороне ПМ. Это, во-первых, чувствитель­ность рецепторов к протеолитическим ферментам, не действующим на внутреннюю поверхность ПМ, и, во-вторых, сохранение активности БПГ, иммобилизированными на полимерной матрице, препятствую­щей их проникновению внутрь клеток.

С использованием метода собственной белковой флуоресценции было показано, что процессы, которые сопровождают гормон-рецепторное взаимодействие, приводят к определенным структурным пере­стройкам

Процесс взаимодействия БПГ с рецепторными белками ПМ кле­ток-мишеней приводит к повышению внутриклеточного уровня цАМФ (кроме инсулина) путем активации фермента аденилатциклазы.

В отличие от аденилатциклазы фосфодиэстераза помимо ПМ свя­зана с растворимой фракцией и ингибируется метилксангинами, цитра­том, некоторыми нуклеотидами и пирофосфатом.

Роль фосфолипидов сводится, во-первых, к обеспечению сродства ре­цептора к гормону и, во-вторых, к непосредственному участию в про­цессе активации аденилатциклазы.

Обнаружена зависимость от Са²⁺ процесса освобождения вновь синтезированного стероида из клетки. В последующих работах было отмечено, что в ряде случаев повышение уровня цАМФ вызывает подавление сокращения гладкой мускулатуры, которое стимулирует Са²⁺, а также задержку освобождения гранул тучных клеток. Исходя из этого, предложено выделить две основные реализующие системы, вы­зывающие ответные реакции на действие гормонов в клетках-мишенях: "систему "А", или сократительную, и "систему В", или мета­болическую. Для одних БПГ, опосредующих свое действие через цАМФ, в ча­стности для глюкагона, Са²⁺ подавляет процесс связывания с рецепто­ром и его удаление из среды не приводит к изменению стимулирующе­го действия данного гормона на аденилатциклазу. Для других БПГ ак­тивирующий эффект в среде без Са²⁺ полностью снимается (АКТГ).

Наиболее вероятным кажется то, что в отношении действия БПГ Са²⁺ необходим на этапе между связыванием с рецептором и актива­цией аденилатциклазы.

*-*-*-*-

Рецепторы: модуляция активности

Рецепторы пептидных гормонов ( инсулиновый , глюкагоновый , EGF (Рецептор эпидермального фактора роста) , PDGF (ФАКТОР РОСТА ТРОМБОЦИТАРНЫЙ, ТРФ) ) ингибируются путем эндоцитоза . Они подвергаются эндоцитозу и деградируют в лизосомах . Есди рецептор и возврвщается на поверхность клетки, то все равно, большую часть времени он проводит внутри клетки.

Изучение RTK рецептора PDGF показали, что 3-киназа PI играет важную роль в эндоцитозе этого класса рецепторов.

Активность бета-адренергических рецепторов ингибируется путем фосфорилирования ПКА нескольких серинов и треонинов в цитозольном домене рецептора. Фосфорилированный рецептор нормально связывает лиганд, но не активирует Gs белок .

Такая инактивация называется гетерологической десентизацией .

Гомологичная десентизация осуществляется рецептор-специфическими ферментами. Например бета-адренергическая рецепторная киназа ( BARK ) фосфорилирует только бета-адренергические рецепторы.

С фосфорилированным рецептором связывается бета-аррестин и блокирует его взаимодейсвие с G-белком .

Сходный процесс происходит в зрительной системе . При возрастании уровня цАМФ в клетке фосфорилируются много рецепторов, вовлеченных в синтез цАМФ, при удалении гормона они дефосфорилируются и чувствительность клетки восстанавливается.

EGF рецептор фосфорилируется PKC , при этом уменьшается его сродство к EGF. Таким образом, в процессе активации клетки EGF наблюдается следующая обратная связь: связывание EGF с рецептором активирует PLC-гамма , далее ДАГ активирует PKC, которая фосфорилирует рецептор EGF, что вызывает ослабление связывания с ним EGF и, таким образом, потерю чувствительности клетки к действию EGF.

Связываясь со специфическими рецепторными белками ПМ, гормоны посредством аденилатциклазной системы изменяют уровень внутриклеточного цАМФ, который потенциально способен вмеши­ваться в вышеперечисленные метаболические пути клеток. Конечный же эффект действия гормона всецело определяется эволюционно за­крепленной физиологической специализацией той клетки, с которой связывается данный гормон. Так, АКТГ при взаимодействии с жиро­вой клеткой и клеткой надпочечника вызывает в конечном счете раз­личные эффекты: в одном случае — липолиз и выброс в кровь жирных кислот, в другом — синтез кортикостероидов, но все это посредством одного и того же молекулярного механизма — активации аденилатцик­лазы и увеличения концентрации цАМФ внутри клеток.

Таким образом, рассмотренный участок цепи регуляции внутри­клеточного метаболизма и гомеостаза БПГ можно схематически изо­бразить следующим образом:

гормон 4

рецепторный белок I

аденилатциклазная система I

циклический 3,5-АМФ I

протеинкиназы I

метаболические пути I

ответ клетки.

Процесс взаимодействия БПГ и других биологически активных веществ с ПМ не ограничивается лишь изменением функционирова­ния аденилатциклазной системы. ПМ — сложная морфофункциональ-ная система, содержащая в себе большое количество ферментных ком­плексов, степень активности которых определяется физико-химическим состоянием мембраны. Поэтому возникающие локальные изменения данного состояния при взаимодействии гормонов и других веществ с ПМ могут вовлекать в процесс и другие ферменты, входящие в область структурных изменений мембран. Возможен также опосредованный путь изменения активности ферментов ПМ клеток, а именно через цАМФ.

"активные центры" содер­жат в основном информацию об обеспечении специфики гормон-рецепторного взаимодействия, а "общие фрагменты" — истинные ак­тивные центры БПГ, которые непосредственно участвуют в инициа­ции физиологических реакций. Интересно, что трипептид (про-арг-гли-ЫНг) усиливает действие уже циркулирующего гормона, в частно­сти вазопрессина, хотя без последнего был неактивен, а пептид (НгСО-арг-про-вал-ЫНг) потенцирует действие АКТГ по критерию содержания аскорбиновой кислоты в надпочечниках.

Таким образом, в структуре молекул БПГ можно выделить два функционально активных центра: "активные центры" Гофмана, обес­печивающие связывание гормонов с клетками, и "общие фрагменты", ответственные за обеспечение процесса передачи биологической ак­тивности БПГ внутрь клеток.

1.1.3.Короткие пептиды.

Короткие пептиды, содержащие до 10 аминокислот, принято называть олигопептидами; в то же время полипептиды и белки считаются взаимозаменяемыми, хотя термином «полипептиды» чаще обозначают продукты с мол. м. менее 10000. В некоторых биоактивных пептидах имеются необычные аминокислоты, не встречающиеся в природных белках, или производные обычных аминокислот (гормоны, антибиотики). Мнение о том, что пептиды могут играть роль промежуточных продуктов на пути синтеза белка, не подтвердилось, поскольку, как показано в главе 14, этот процесс во всех клетках у всех живых организмов осуществляется de novo матричным путем.

Природные пептиды, наделенные биологической активностью, в зависимости от характера действия и происхождения принято делить на 4 группы: 1) пептиды, обладающие гормональной активностью (вазопрессин, окси-тоцин, кортикотропин, глюкагон, кальцитонин, меланоцитстимулирующий гормон, рилизинг-факторы гипоталамуса и др.; см. главу 8); 2) пептиды, принимающие участие в процессе пищеварения (в частности, гастрин и секретин; см. главу 12); 3) пептиды, источник которых – α₂-глобулиновая фракция сыворотки крови (такие, как ангиотензин, брадикинин и каллидин); 4) нейропептиды.

Атриопептид – Натрийуретический предсердный фактор,

трипептид глутатион, δ-пептид сна, грамицидин S.

Отвечающий за системную устойчивость короткий пептид, содержащий 18 аминокислот, был назван системином.

выделен еще более короткий пептид (всего 4-5 аминокислот), в состав которого входил сульфатированный тирозин. Добавление этого пептида вызывало увеличение скорости деления клеток in vitro, повышало митотический индекс. Этот пептид был назван фитосульфокином.

 один из главных механизмов действия коротких биологических пептидов — работа через рецепторы хорошо известных пептидных нейрогормонов. Сродство «теневых» пептидов к рецепторам очень низкое — в десятки или даже тысячи раз ниже, чем у их «основных» лигандов, но нужно принимать во внимание и тот факт, что концентрация «теневых» пептидов примерно в такое же число раз выше. В результате оказываемый ими эффект может иметь ту же величину, а, учитывая широкий «биологический спектр» пептидного пула, можно сделать вывод об их важности в регуляторных процессах.

В качестве примера действия через «не свои» рецепторы можно привести геморфины — фрагменты гемоглобина, которые действуют на опиоидные рецепторы, аналогично «эндогенным опиатам» — энкефалину и эндорфину. Доказывается это стандартным для биохимии способом: добавление налоксона — антагониста опиоидных рецепторов, используемого в качестве антидота при передозировке морфина, героина или других наркотических анальгетиков, — блокирует действие геморфинов, что и подтверждает их взаимодействие с опиоидными рецепторами.

В то же время, мишени действия большинства «теневых» пептидов неизвестны. По предварительным данным, некоторые из них могут влиять на работу рецепторных каскадов и даже участвовать в «управляемой гибели» клетки — апоптозе.

Кстати, фрагменты более крупных белков, обладающие своей собственной функцией, никак не связанной с функцией «родителя», получили название криптеинов(«спрятанные» белки). Криптеины сейчас довольно активно изучаются и выявляются в последовательностях «не секретных» белков в надежде обнаружить у них особые биологические (например, лекарственные) свойства.

Полифункциональный и полиспецифичный «биохимический буфер», который образует пептидный пул, «смягчая» метаболические колебания, позволяет говорить о новой, ранее неизвестной системе регуляции на основе пептидов (см. таблицу 1). Этот механизм дополняет всем известные нервную и эндокринную системы, поддерживая в организме своеобразный гомеостаз и устанавливая равновесие между ростом, дифференцировкой, восстановлением и гибелью клеток. Изменение пептидного «фона» почти наверняка обратит внимание на протекающий патологический процесс, а восстанавливающее и стимулирующее действие многих пептидных веществ, видимо, можно объяснить как раз восстановлением нарушенного равновесия.

Учитывая сказанное, можно даже высказать предположение, что пептидная биорегуляторная система является эволюционным предшественником более совершенных и современных нервной и эндокринной систем. Эффекты, оказываемые пептидным «фоном», могут проявляться уже на уровне отдельной клетки, в то время как невозможно себе представить работу нервной или эндокринной системы в одноклеточном организме.

Таблица 1. Сравнение различных регуляторных систем [9]
Свойство	Регуляторная система
	Нервная	Эндокринная / паракринная	Тканеспецифичные пептидные пулы
«Рабочее тело»	Нейротрансмиттеры	Гормоны	Пептиды — фрагменты функциональных белков
Предшественник	Специфический белковый предшественник	Специфический белковый предшественник	Функциональные белки
«Порождающий» процесс	Сайт-специфическое расщепление	Сайт-специфическое расщепление	Действие набора клеточных протеаз
Концентрация (нМ / г ткани)	0.001–1.0	0.001–1.0	0.1–100
Тип регуляции	Синаптическая секреция	Внеклеточная секреция	Изменение концентрации в ткани
Механизм действия	Связывание с рецепторами синаптической мембраны	Связывание с рецепторами клеточной мембраны	Связывание с рецепторами «родственных» гормонов
Константа связывания с рецептором (Kd, нМ)	1–1000	0.1–10	100–10000
Период активности	Секунды–минуты	Минуты–часы	Часы–дни
Биологическая роль	Передача нервного импульса	Регуляция физиологических процессов в ткани или всём организме	Поддержание тканевого гомеостаза

Биологические ткани, жидкости и органы содержат большое число пептидов, образующих «пептидные пулы». Эти пулы образуются как из специализированных белков-предшественников, так из белков с иными, своими собственными функциями (ферментов, структурных и транспортных белков и др.).

Состав пептидных пулов устойчиво воспроизводится при нормальных условиях и не обнаруживает индивидуальных отличий. При развитии патологических процессов, а также в результате стрессов (в том числе, длительного лишения сна) или применения фармакологических препаратов состав пептидных пулов меняется, и иногда довольно сильно. Это может использоваться для диагностики различных патологических состояний, — в частности, такие данные есть для болезней Ходжкина и Альцгеймера.