Биохимия пособие Коновалова 2012

Первый уровень нейроэндокринной системы составляют внеги-

:^таламические структуры центральной нервной системы, включая кору и подкорковые образования головного мозга, где происходит ин­ теграция поступающей информации, исходящей от внутренних орга­ нов и окружающего мира. Вторым уровнем является гипоталамус, иг­ рающий центральную роль в нейроэндокринной системе. В клетках гипоталамуса происходит переключение нервных (электрических) сиг­ налов на химические (гормональные). Вырабатываемые в нейроцитах гипоталамуса нейрогормоны регулируют биосинтез и секрецию тропных гормонов гипофиза. Третий уровень нейроэндокринной системы занимает гипофиз. Посредством тропных гормонов он управляет пе­ риферическими эндокринными железами. Четвертым уровнем являют­ ся периферические эндокринные железы. Секретируемые ими гормоны воздействуют на территориально разобщенные органы-мишени, син­ хронизируют ритм их работы и интегрируют специфическую ответную реакцию. Пятым уровнем, на котором базируется вся пирамида нейро­ эндокринной системы, и где реализуются гормональные эффекты, яв­ ляются органы-мишени, клетки которых имеют специфические рецеп­ торы к гормонам.

Иерархия нейроэндокринной системы

(I)Внегипоталамические образования ЦНС

4-

нейромедиаторы

Ф

(И)Гиноталамус

Ф

рилизинг-гормоны

ф

(III) Гипофиз

ф

тройные гормоны

Ф

(IV) Эндокринные железы

Ф

гормоны

ф

(V)Органы-мишени

1.1.Определение и общая характеристика гормонов

Г о р м о н ы — э т о в е щ е с т в а , к о т о р ы е в ы р а б а т ы в а ю т с я сп ец и а л и ­ зи р о ва н н ы м и эн д о к р и н н ы м и кл ет кам и , в ы с в о б о ж д а ю т с я н е п о с р е д с т -

3 7 1

ве я н о в к р о в ь и п е р е н о с я т с я к т к ан я м и клет кам -м и ш ен ям , г д е вызы во ю т х а р а к т е р н ы е б и о л о ги ч ес к и е эф ф е к т ы . Понятие «гормон» (0т

греч. hormao —побуждаю, привожу в действие) было предложено Э Г Старлингом в 1905 году. Он образно назвал гормоны вест н и к а м и (м ес. С ен дж ер а м и ). На клеточном уровне это означает, что гормон приносит к клетке весть о необходимости изменения ее метаболизма. Г орм оны

о к а зы в а ю т с п е ц и ф и ч е с к о е д е й с т в и е н а м е т а б о л и зм клет ки т ремя

п у т я м и : 1) воздействуя на скорость синтеза ферментов и других бел­ ков; 2) изменяя активность ферментов, а, следовательно, и скорость ферментативного катализа; 3) изменяя проницаемость клеточных мем­ бран.

Помимо гормонов, секретирующихся в кровь и действующих на удаленные органы и ткани, существуют еще биологические активные вещества, похожие по своим свойствам на гормоны. Эти биологиче­ ские активные вещества принято называть го р м о н о п о д о б н ы м и вещ е­

с т в а м и (го р м о н о и д а м и ) ш и м ес т н ы м и го р м о н а м и . К ним относятся

биогенные амины (гистамин), кинины, эйкозаноиды, интерлейкины, ростовые факторы, эндотелины.

Главные, но не абсолютные, отличительные признаки истинных гормонов от гормоноподобных веществ:

1) источником образования истинных гормонов являются спе­

2) д и с т а н т н о е и с и с т е м н о е действие истинных гормонов, в от­ личие от локального (местного) действия гормоноидов.

В общем, различают 3 пути воздействия химических регуляторов на клетки и ткани:

1. Эндокринный путь, при котором регулятор с током крови пе­ реносится к о т д а л е н н ы м клеткам-мишеням, где вызывает биологиче­ ский эффект.

2.Паракринный путь, при котором регулятор воздействует на

пр и л е г а ю щ и е (соседние) клетки данной ткани.

3. Аутокринный путь, при котором регулятор действует на

с и н т е з и р у ю щ и е е г о к л е т к и .

1.2. Биосинтез гормонов

Гормоны белково-пептидной природы образуются, как правило, по схеме препрогормон - прогормон - гормон:

а) при трансляции специфической и-РНК образуется препрогор­ мон, имеющий на N-конце так называемую сигнальную последова­ тельность длиной 20-25 аминокислотных остатков. Сигнальная после-

3 7 2

овательность (сигнальный пептид) необходима для транспорта синте- ^руемой полипептидной цепи внутрь цистерн эндоплазматического етякулума [Замечание: все экспортные белки для их дальнейшей сек­ ц и и должны попасть в цистерны эндоплазматического ретикулума]; Р б) в цистернах эндоплазматического ретикулума происходит удаление сигнального пептида специальными протеазами. Образуется прогормон (например, проинсулин, прокальцитонин, пропаратгормон), а иногда - сразу гормон (например, гормон роста, пролактин);

в) в комплексе Гольджи происходит дальнейший протеолиз про­ гормонов с образованием активных гормонов. Некоторые гормоны там же подвергаются дополнительной модификации, например, гликозилированию (тиреотропин, гонадотропины).

Один прогормон может быть источником либо одного гормона, либо, что наблюдается гораздо реже, сразу нескольких. Например, проопиомеланокортин аденогипофиза служит предшественником АКТГ, p-липотрЬпина, меланоцитстимулирующего гормона и эндор-

финов.

Стероидные гормоны синтезируются по другому пути. Исход­ ным сырьем для их синтеза служит холестерин. Превращение холесте­ рина в стероидные гормоны состоит в укорочении алифатической бо­ ковой цепи, гидроксилировании и дегидрировании стероидного ядра.

При биосинтезе катехоламинов аминокислота тирозин подверга­ ется гидроксилированию и декарбоксилированию и, дополнительно, при синтезе адреналина, метилированию.

1.3. Транспорт гормонов

Липофильные молекулы стероидных и тиреоидных гормонов транспортируются по крови специальными транспортными белками. В то же время гидрофильные молекулы гормонов белково-пептидной природы не имеют с п е ц и а л ь н ы х транспортных белков и транспорти­ руются кровью преимущественно в свободном виде. Обращает на себя внимание, что гормоны, транспортируемые специализированными транспортными белками, имеют гораздо больший период полужизни (часы и дни), нежели гормоны, транспортируемые в свободном виде (минуты).

1.4. Периферическая конверсия гормонов

Некоторые гормоны в периферических тканях превращаются в более'активные соединения, например, тестостерон в некоторых тканях превращается в более активный дигидротестостерон. Около 80% цирку­

3 7 3

лирующего тироксина превращается в клетках-мишенях в трийодгип

НИН.

1.5. Хранение и запасы гормонов

Тиреоглобулин щитовидной железы содержит двухнедельный запас тиреоидных гормонов. В-клетки поджелудочной железы имеют инсулина не более чем на 5 дней. Другие пептидные гормоны запаса- ются еще в меньших количествах. Практически не запасаются стеро­ идные гормоны.

1.6. Инактивация гормонов

Гормоны инактивируются как в клетках-мишенях, после их про­ никновения внутрь клетки, так и в клетках органов, которые могут и не являться мишенями для данного гормона, главным образом в печени и почках. Основной путь инактивации пептидных гормонов - протеолиз неспецифическими протеазами. Стероидные гормоны подвергаются в печени реакциям восстановления с последующим образованием гид­ рофильных конъюгатов с глюкуроновой кислотой, экскретируемых в желчь и мочу. Катехоламины инактивируются специальными фермен­ тами (моноаминооксидазой и катехол-орто-метилтрансферазой) тка­ ней-мишеней и печени с образованием неактивных метаболитов, выде­ ляющихся с мочой. Инактивация тиреоидных гормонов происходит посредством дейодирования, дезаминирования, а также путем образо­ вания конъюгатов с глюкуроновой кислотой.

1.7. Схема нейроэндокринных взаимосвязей

Поток информации о состоянии внешней и внутренней среды ор­ ганизма поступает в центральную нервную систему (ЦНС), где пере­ рабатывается, а в ответ посылаются регуляторные сигналы к перифе­ рическим органам и тканям. При этом регуляторные сигналы могут быть двух видов —электрические в виде нервных импульсов или хими­ ческие в виде гормонов. Нервные импульсы, поступающие от различ­ ных отделов головного мозга, влияют на секрецию клетками гипотала­ муса рилизинг-гормонов, которые регулируют выделение тройных гормонов гипофиза. Тройные гормоны влияют на секрецию гормонов периферическими эндокринными железами. Такой путь регуляции функции периферических эндокринных желез называется трансгипо­

ф и за р н ы м .

Существует и п а р а ги п о ф и за р н ы й пут ь регуляции функции пе риферических эндокринных желез, при котором нервные импульсы

3 7 4

Прямо регулируют секрецию гормонов эндокринными железами в кровь. Например, адреналин секретируется мозговым слоем надпочеч­ ников в ответ на стрессорные стимулы. При этом функционирует парагипофизарный путь регуляции: ЦНС - п. splanchnicus - мозговой слой надпочечников - секреция адреналина в кровь.

1.8. Механизмы саморегуляции

Поддержание физиологического уровня гормонов в крови обес­ печивается механизмами саморегуляции. Важнейшую роль в регуля­ ции гормональной секреции играет механизм о б р а т н о й от р и ц а т ел ь ­ ной с в я зи , заключающийся в том, что при избыточном содержании гормона в крови тормозится секреция его физиологических стимулято­ ров.

Различают к о р о т к у ю п е т л ю обратной связи, когда тройные гор­ моны гипофиза ингибируют секрецию рилизинг-гормонов гипоталаму­ са, и дл и н н ую п ет л ю обратной связи, когда гормоны периферических эндокринных желез ингибируют секрецию рилизинг-гормонов гипота­ ламуса и тропных гормонов гипофиза.

Регуляция по типу обратной отрицательной связи

1 —короткая петля; 2 —длинная петля

Частным проявлением механизма обратной отрицательной связи является м е т а б о л и т н о -го р м о н а л ь н а я обратная связь, то есть регуля­ ция выделения гормона посредством метаболитов, концентрация кото­ рых в крови меняется при действии гормона на ткань-мишень. Напри­ мер, гипергликемия вызывает высвобождение из островков поджелу­ дочной железы инсулина, который усиливает утилизацию глюкозы тканями. В результате уровень глюкозы возвращается к норме, что в

3 7 5

свою очередь снижает секрецию инсулина.

Регуляция уровня гормонов может осуществляться и по меха низму п о л о ж и т е л ьн о й о б р а т н о й свя зи . Так, эстрогены способствую? выбросу лютеинизирующего гормона, в результате чего происходи овуляция.

Выделение многих гормонов часто подчиняется суточным (цИр. кадным) ритмам и может быть связано с некоторыми физиологически­ ми состояниями (например, беременность, лактация, адаптация к но­ вым условиям среды).

1.9. Клетки и ткани-мишени

Мишенью гормона может быть одна или несколько тканей.

способности селективно связывать гормон специфическими рецепто­ рами, находящимися на поверхности либо внутри клетки.

1.10. Рецепторы гормонов

Рецепторы (от лат. receptor - тот, кто принимает) гормонов по их локализации в клетке можно разделить на два вида: 1) поверхностные (мембранные) и 2) внутриклеточные.

Все рецепторы гормонов имеют, по меньшей мере, два функцио-. нальных домена (области): 1) домен распознавания, который связывает гормон, и 2) домен, который генерирует сигнал сопряжения между связыванием гормона и изменением клеточной функции.

Количество рецепторов и сродство их к гормонам являются ре­ гулируемыми параметрами. Лучше изучены в этом отношении поверх­ ностные рецепторы. В клетках, подвергшихся действию какого-либо гормона достаточно длительное время, исчезает биологический ответ. Такая потеря чувствительности —д е с ен т и за ц и я - опосредуется двумя механизмами. Первый механизм включает утрату рецепторов плазма­ тической мембраной. Эта п о н и ж а ю щ а я р е гу л я ц и я (down-regulation) осуществляется путем эндоцитоза (или, как говорят, путем интернали­ зации) комплекса гормон-рецептор. Внутри клетки гормон разрушает­ ся в лизосомах, а рецептор либо разрушается, либо возвращается на поверхность клетки. Процесс интернализации характерен для гормонов белково-пептидной природы и доказан для инсулина, тиреотропина, тиреолиберина, гонадолиберина, хорионического гонадотропина, фол­ ликулостимулирующего и лютеинизирующего гормонов. Второй ме­

1

g рецептор не способен активировать G-белок, и, следовательно, 1,61 дллатдиклазу. Этот процесс быстрый и, в отличие от более медлен- ^ первого, не сопровождается изменением числа рецепторов на по­ верхности клетки и характерен для тропных гормонов гипофиза и ка­ техоламинов.

1.11. Классификация гормонов

Гормоны можно классифицировать по разным признакам (по месту выработки, по химическому строению, по механизму действия, по биологической функции). Наиболее часто используется классифи­ кация гормонов по их химическому строению.

По х и м и ч е с к о м у с т р о е н и ю гормоны подразделяются на:

1) Белково-пептидные (гормоны гипоталамуса, гипофиза, под­ желудочной и паращитовидной желез, кальцитонин щитовидной желе­

зы).

2)Производные аминокислот (адреналин и йодтиронины - про­ изводные тирозина: мелатонин - производное триптофана).

3)Стероидные (половые гормоны, кортикостероиды).

По м е х а н и з м у д е й с т в и я гормоны классифицируются на две большие группы: 1) проникающие в клетку - гормоны, которые дей­ ствуют через внутриклеточные рецепторы и 2) непроникающие в клетку - гормоны, которые действуют через поверхностные рецепто­ ры.

Классификация гормонов по механизму действия

Гормоны, дейст­ вующие через

внутриклеточные Гормоны, девствующие через поверхностные рецепторы рецепторы

К первой группе гормонов относятся стероидные и тиреоидные гормоны.

Гормоны второй группы, к которым относятся катехоламины и гормоны белково-пептидной природы, действуют не прямо, а посред­ ством вторичных посредников (мессенджеров). Термин вт о р и ч н ы й п о ­ средник указывает на то, что он находится между первичным химиче­ ским сигналом (гормоном) и биологическим ответом клетки. Другими словами, если представить себе, что гормон это “посланник” (англ. Messenger) из эндокринных клеток, то внутриклеточные медиаторы

3 7 7

гормонального действия могут быть названы вторичными посланника­ ми или посредниками (англ, second messenger).

По количеству основных вторичных посредников и механизмам их образования гормоны, связывающиеся с поверхностными рецепто­ рами, подразделяются на четыре подгруппы:

а) действующие по аденилатциклазному механизму (вторичный посредник цАМФ) - а 2 и p-адренергические катехоламины, АКТГ, вазопрессин, глюкагон, кальцитонин, паратгормон, ангиотензин-И, тиреотропин, кортиколиберин, фолликулостимулирующий гормон;

б) действующие по гуанилатциклазному механизму (вторичный посредник цГМФ) - атриальные натрий-уретические факторы;

в) действующие по Са2+/фосфатидилинозитоловому механизму (вторичный посредник Са2+ и/или фосфатидилинозитолы) - а г адренергические катехоламины, окситоцин, вазопрессин, ангиотензин11, гастрин, тиреолиберин, гонадолиберин и соматолиберин;

г) действующие по киназному механизму (вторичный посредник - киназный каскад) —инсулин, гормон роста и пролактин.

Следует подчеркнуть, что разделение гормонов по указанным механизмам действия несколько условно, так как между этими меха­ низмами действия гормонов существует взаимосвязь. Кроме того, один и тот же гормон может действовать разными механизмами, например, при связывании вазопрессина с У2-рецепторами почек активируется аденилатциклазный механизм, а при связывании с V[-рецепторами'со­ судов запускается Са2+/фосфатидилинозитоловый механизм.

П о б и о л о ги ч ес к и м ф у н к ц и я м основные гормоны можно разделить следующим образом:

1) гормоны, регулирующие функции периферических эндокрин­ ных желез —рилизинг-гормоны гипоталамуса и тропные гормоны ги­ пофиза;

2)гормоны, регулирующие обмен белков, жиров и углеводов - инсулин, глюкагон, катехоламины, глюкокортикоиды;

3)гормоны, регулирующие рост, развитие и дифференцировку тканей и органов - тиреоидные гормоны, гормон роста, половые гор­ моны, инсулин;

4)гормоны, регулирующие водно-солевой и минеральный обмен

-минералокортикоиды, предсердные натрий-уретические факторы, антидиуретический гормон, паратгормон, кальцитонин, кальцитриол.

1.12. Механизмы действия гормонов

Имеется несколько основных механизмов, посредством которых гормоны вызывают биологический эффект внутри клетки. В первом механизме гормоны действуют через внутриклеточные рецепторы, ло-

3 7 8

кализованные в цитозоле или ядре. Это характерно для небольших, ли­ пофильных молекул стероидных и тиреоидных гормонов. Рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов имеют сходное строение и отне­ сены к суперсемейству рецепторов стероид-тиреоидных гормонов. Эти рецепторы представлены одной полипептидной цепью, в которой вы­ деляют три функционально разные области: 1) регуляторный домен; 2) ДНК-связываютций домен; 3) гормонсвязывающий домен.

Механизм действия стероид-тиреоидных гормонов:

1. Стероидные или тиреоидные гормоны диффундируют через клеточную мембрану и связываются или с цитозольным (глюко- и минералокортикоидные гормоны) или с ядерным рецептором (половые и тиреоидные). Это вызывает в рецепторе конформационные изменения, ведущие к раскрытию ДНК-связывающего домена.

2.В ядре комплекс гормон-рецептор (посредством ДНКсвязывающего домена рецептора) взаимодействует с особым гормончувствигельным элементом ДНК. В результате начинается процесс транскрипции, имеющий результатом образование и-РНК.

3.и-РНК подвергается трансляции в цитозоле с образованием специфических белков, которые ответственны за биологические эф­ фекты гормона.

Рецептор (ядро или цитоплазма)

4,

Раскрытие ДНК-связывающего домена рецептора

I

Связывание комплекса гормон-рецептор с ДНК

4

Транскрипция ДНК

Ф

Трансляция и-РНК

4

Синтез белков (ферментов)

4

Изменение метаболизма

4

Биологический эффект

В основе механизма действия гормонов, связывающихся с по­ верхностными рецепторами, лежит образование вторичных посредни­ ков. Это характерно для больших, водорастворимых молекул гормонов белково-пептидной природы. Различает два главных класса поверхно­

3 7 9

стных рецепторов, непосредственно связанных с действием гормонов Они отличаются по механизму передачи сигнала внутрь клетки.

А . Р е ц е п т о р ы с ф ер м ен т а т и вн о й а к т и в н о с т ь ю (l-TAfQ _

р е ц е п т о р ы ).

Данный класс рецепторов обычно пересекает мембрану один раз в связи с чем иногда их обозначают как 1-ТМС-рецепторы, то есть ре1 цепторы с одним трансмембранным сегментом. Эти трансмембранные рецепторы представлены двумя видами:

1)Рецепторы, которые имеют присущую им внутреннюю (собст­ венную) ферментативную активность. В большинстве случаев фермен­ тативная активность —это тирозин-специфическая протеинкиназа, ре­ же - гуанилатциклаза.

2)Рецепторы тесно связанные с цитозольными протеинкиназами (тирозинкиназами или серин-треонинкиназами).

Примером каталитического рецептора первого вида может слу­ жить рецептор инсулина - гликопротеин, состоящий из четырех субъ­ единиц (2а и 2р), которые удерживаются между собой дисульфидными связями, р-субъединица пересекает мембрану, а а-субъединица высту­ пает снаружи клетки и обеспечивает связывание гормона.

Рецептор инсулина s-s|а 1....Is-s I...—-

Цитозольный домен каждой р-субъединицы обладает т ирозин - к и н а зн о й а к т и в н о с т ь ю , то есть катализирует фосфорилирование тирозиновых остатков специфических цитозольных белков, обозначенных как IRS - субстраты инсулинового рецептора (Insulin Receptor Substrate). Фосфорилированные IRS способствуют изменению актив­ ности других протеинкиназ, которые в свою очередь фосфорилируют специфические белки-ферменты (в том числе и протеинкиназы). Таким образом, развивается целый ки н а зн ы й к а с к а д , что в конечном итоге ве­ дет к развитию биологических эффектов инсулина. Д е й с т в и е инсулин а

— я р к и й п р и м е р к и н а зн о го м е х а н и зм а де й с т ви я го р м о н о в .

Примером каталитических рецепторов второго вида является рецептор гормона роста. Этот рецептор представлен одной полипептидной цепью, один раз пересекающей цитоплазматическую мембрану. Цитозольный домен рецептора тесно связан со специфической цито­ зольной тирозинкиназой JAK-2 (janus kinase-2). Гормон-рецепторное взаимодействие ведет к димеризации рецепторов и активации этого фермента. JAK-2 фосфорилирует тирозиновые остатки самого рецеп­ тора и к ним присоединяются STAT-белки (Signal Transduction and

3 8 0