2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

венно в кровь и переносятся к тканям и клеткам-мишеням, где вызы-

вают характерные биологические эффекты. Понятие «гормон» (от греч. hormao – побуждаю, привожу в действие) было предложено Э.Г.

Старлингом в 1905 году. Он образно назвал гормоны вестниками (мессенджерами). На клеточном уровне это означает, что гормон приносит к клетке весть о необходимости изменения ее метаболизма. Гормоны оказывают специфическое действие на метаболизм клетки тремя путями: 1) воздействуя на скорость синтеза ферментов и других белков; 2) изменяя активность ферментов, а, следовательно, и скорость ферментативного катализа; 3) изменяя проницаемость клеточных мембран.

Помимо гормонов, секретирующихся в кровь и действующих на удаленные органы и ткани, существуют еще биологические активные вещества, похожие по своим свойствам на гормоны. Эти биологические активные вещества принято называть гормоноподобными веще-

ствами (гормоноидами) или местными гормонами. 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 специализированные эндокринные клетки или органы, в которых все био-

химические процессы направлены на синтез и секрецию гормонов, в то время как источником гормоноидов могут быть различные клетки;

2)дистантное и системное действие истинных гормонов, в отличие 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 переносится к отдаленным клеткам-мишеням, где вызывает биологиче-

ский эффект.

2. Паракринный путь, при котором регулятор воздействует на прилегающие (соседние) клетки данной ткани.

3. Аутокринный путь, при котором регулятор действует на

синтезирующие его клетки.

1.2. Биосинтез гормонов

Гормоны белково-пептидной природы образуются, как правило,

по схеме препрогормон – прогормон – гормон:

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

372

довательность (сигнальный пептид) необходима для транспорта синтезируемой полипептидной цепи внутрь цистерн эндоплазматического ретикулума [Замечание: все экспортные белки для их дальнейшей секреции должны попасть в цистерны эндоплазматического ретикулума]; 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, -липотропина, меланоцитстимулирующего гормона и эндор-

финов.

Стероидные гормоны синтезируются по другому пути. Исходным сырьем для их синтеза служит холестерин. Превращение холестерина в стероидные гормоны состоит в укорочении алифатической боковой цепи, гидроксилировании и дегидрировании стероидного ядра.

При биосинтезе катехоламинов аминокислота тирозин подвергается 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 специальных транспортных белков и транспортируются 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-

373

лирующего тироксина превращается в клетках-мишенях в трийодтиро-

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 запасаются еще в меньших количествах. Практически не запасаются стероидные 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 гидрофильных конъюгатов с глюкуроновой кислотой, экскретируемых в желчь и мочу. Катехоламины инактивируются специальными ферментами (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 образования конъюгатов с глюкуроновой кислотой.

1.7. Схема нейроэндокринных взаимосвязей

Поток информации о состоянии внешней и внутренней среды организма поступает в центральную нервную систему (ЦНС), где перерабатывается, а в ответ посылаются регуляторные сигналы к периферическим органам и тканям. При этом регуляторные сигналы могут быть двух видов – электрические в виде нервных импульсов или химические в виде гормонов. Нервные импульсы, поступающие от различных отделов головного мозга, влияют на секрецию клетками гипоталамуса рилизинг-гормонов, которые регулируют выделение тропных

гормонов гипофиза. Тропные гормоны влияют на секрецию гормонов периферическими эндокринными железами. Такой путь регуляции функции периферических эндокринных желез называется трансгипо-

физарным.

Существует и парагипофизарный путь регуляции функции периферических эндокринных желез, при котором нервные импульсы

374

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

1.8. Механизмы саморегуляции

Поддержание физиологического уровня гормонов в крови обеспечивается механизмами саморегуляции. Важнейшую роль в регуляции гормональной секреции играет механизм обратной отрицательной связи, заключающийся в том, что при избыточном содержании гормона в крови тормозится секреция его физиологических стимуляторов.

Различают короткую петлю обратной связи, когда тропные гормоны гипофиза ингибируют секрецию рилизинг-гормонов гипоталамуса, и длинную петлю обратной связи, когда гормоны периферических эндокринных желез ингибируют секрецию рилизинг-гормонов гипота-

ламуса и тропных гормонов гипофиза.

Регуляция по типу обратной отрицательной связи

Гипоталамус

илизинг-гормон

Гипофиз

Тропный гормон

Гор н эндокринной железы

1 Ã короткая петля; 2 Ã длинная петля

Частным проявлением механизма обратной отрицательной связи является метаболитно-гормональная обратная связь, то есть регуля-

ция выделения гормона посредством метаболитов, концентрация которых в крови меняется при действии гормона на ткань-мишень. Напри-

мер, гипергликемия вызывает высвобождение из островков поджелудочной железы инсулина, который усиливает утилизацию глюкозы тканями. В результате уровень глюкозы возвращается к норме, что в

375

свою очередь снижает секрецию инсулина.

Регуляция уровня гормонов может осуществляться и по механизму положительной обратной связи. Так, эстрогены способствуют выбросу лютеинизирующего гормона, в результате чего происходит овуляция.

Выделение многих гормонов часто подчиняется суточным (циркадным) ритмам и может быть связано с некоторыми физиологическими состояниями (например, беременность, лактация, адаптация к новым условиям среды).

1.9. Клетки и ткани-мишени

Мишенью гормона может быть одна или несколько тканей.

Ткань-мишень – это ткань, в которой гормон вызывает специфиче-

скую биологическую реакцию. Клетки-мишени определяются по их

способности селективно связывать гормон специфическими рецепторами, 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 функциональных 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 регулируемыми параметрами. Лучше изучены в этом отношении поверхностные рецепторы. В клетках, подвергшихся действию какого-либо

гормона достаточно длительное время, исчезает биологический ответ. Такая потеря чувствительности – десентизация – опосредуется двумя механизмами. Первый механизм включает утрату рецепторов плазматической мембраной. Эта понижающая регуляция (down-regulation)

осуществляется путем эндоцитоза (или, как говорят, путем интернализации) 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, фолликулостимулирующего и лютеинизирующего гормонов. Второй ме-

ханизм десентизации – это ковалентная модификация рецептора путем фосфорилирования его цитозольного домена. Фосфорилирован-

376

ный рецептор не способен активировать G-белок, и, следовательно,

аденилатциклазу. Этот процесс быстрый и, в отличие от более медленного первого, не сопровождается изменением числа рецепторов на поверхности клетки и характерен для тропных гормонов гипофиза и катехоламинов.

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 классификация гормонов по их химическому строению.

По химическому строению гормоны подразделяются на:

1)Белково-пептидные (гормоны гипоталамуса, гипофиза, под-

желудочной и паращитовидной желез, кальцитонин щитовидной железы).

2)Производные аминокислот (адреналин и йодтиронины – производные тирозина; мелатонин – производное триптофана).

3)Стероидные (половые гормоны, кортикостероиды).

По механизму действия гормоны классифицируются на две большие группы: 1) проникающие в клетку – гормоны, которые действуют через внутриклеточные рецепторы и 2) непроникающие в клетку – гормоны, которые действуют через поверхностные рецепторы.

Классификация гормонов по механизму действия

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 вторичный посредник указывает на то, что он находится между первичным химическим сигналом (гормоном) и биологическим ответом клетки. Другими словами, если представить себе, что гормон это “посланник” (англ. messenger) из эндокринных клеток, то внутриклеточные медиаторы

377

гормонального действия могут быть названы вторичными посланниками или посредниками (англ. second messenger).

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

а) действующие по аденилатциклазному механизму (вторичный посредник цАМФ) – 2 и -адренергические катехоламины, АКТГ, вазопрессин, глюкагон, кальцитонин, паратгормон, ангиотензин-II, 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) – 1- адренергические катехоламины, oкситоцин, вазопрессин, ангиотензин-

II, 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 механизмами действия гормонов существует взаимосвязь. Кроме того, один и тот же гормон может действовать разными механизмами, например, при связывании вазопрессина с V2-рецепторами почек активируется аденилатциклазный механизм, а при связывании с V1-рецепторами сосудов запускается Са2+/фосфатидилинозитоловый механизм.

По биологическим функциям основные гормоны можно разделить следующим образом:

1)гормоны, регулирующие функции периферических эндокринных 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 гормоны, 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-

378

кализованные в цитозоле или ядре. Это характерно для небольших, липофильных молекул стероидных и тиреоидных гормонов. Рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов имеют сходное строение и отнесены к суперсемейству рецепторов стероид-тиреоидных гормонов. Эти

рецепторы представлены одной полипептидной цепью, в которой выделяют три функционально разные области: 1) регуляторный домен; 2) ДНК-связывающий 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 ми-

нералокортикоидные 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 ДНК- связывающего домена рецептора) взаимодействует с особым гормон-

чувствительным 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 эффекты гормона.

Механизм действия стероид-тиреоидных гормонов

Рецептор (ядро или цитоплазма)

Раскрытие ДНК-связывающего домена рецептора

Связывание комплекса гормон-рецептор с ДНК

Транскрипция ДНК

Трансляция и-РНК

Синтез белков (ферментов)

Изменение метаболизма

Биологический эффект

В основе механизма действия гормонов, связывающихся с поверхностными рецепторами, лежит образование вторичных посредников. Это характерно для больших, водорастворимых молекул гормонов белково-пептидной природы. Различают два главных класса поверхно-

379

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

А. Рецепторы с ферментативной активностью (1-ТМС- рецепторы).

Данный класс рецепторов обычно пересекает мембрану один раз, в связи с чем иногда их обозначают как 1-ТМС-рецепторы, то есть ре-

цепторы с одним трансмембранным сегментом. Эти трансмембранные рецепторы представлены двумя видами:

1)Рецепторы, которые имеют присущую им внутреннюю (собственную) ферментативную активность. В большинстве случаев ферментативная активность – это тирозин-специфическая протеинкиназа, реже – гуанилатциклаза.

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

Примером каталитического рецептора первого вида может служить рецептор инсулина – гликопротеин, состоящий из четырех субъ-

единиц (2 и 2 ), которые удерживаются между собой дисульфидными связями. -субъединица пересекает мембрану, а -субъединица выступает снаружи клетки и обеспечивает связывание гормона.

Рецептор инсулина

Цитозольный доме цы обладает тирозинкиназной активностью, то есть катализирует фосфорилирование тирозиновых остатков специфических цитозольных белков, обозначенных как IRS – субстраты инсулинового рецептора (Insulin Receptor

Substrate). Фосфорилированные IRS способствуют изменению активности других протеинкиназ, которые в свою очередь фосфорилируют специфические белки-ферменты (в том числе и протеинкиназы). Таким

образом, развивается целый киназный каскад, что в конечном итоге ведет к развитию биологических эффектов инсулина. Действие инсулина

– яркий пример киназного механизма действия гормонов.

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 цитозольной тирозинкиназой JAK-2 (janus kinase-2). Гормон-рецепторное

взаимодействие ведет к димеризации рецепторов и активации этого фермента. JAK-2 фосфорилирует тирозиновые остатки самого рецептора и к ним присоединяются STAT-белки (Signal Transduction and

380

Activators Transcription – сигналы трансдукции и активаторы транскрипции). JAK-киназа фосфорилирует эти белки. Фосфорилированные STAT-белки перемещаются в ядро, где связываются со специфически-

ми участками ДНК и активируют транскрипцию. Усиление синтеза специфических белков (ферментов) лежит в основе изменения метаболизма клеткок-мишеней и биологического эффекта гормона.

Б. Рецепторы, сопряженные с G-белками (7ТМС-рецепторы).

Эти рецепторы связаны с двумя наиболее известными механизмами образования вторичных посредников – аденилатциклазным и Са2+/фосфатидилинозитоловым.

1.13. Аденилатциклазный механизм

1. Поверхностные рецепторы. Гормон связывается с рецептором

на поверхности клеточной мембраны.

Ткани имеют несколько типов поверхностных белковых рецепторов, каждый из которых может быть связан с ферментом аденилатциклаза (например, 2 и -адренорецепторы катехоламинов, V2-

рецепторы вазопрессина). Эти рецепторы имеют однотипное строение и представлены одной полипептидной цепью размером от 400 до 1000 аминокислотных остатков, которая семь раз пересекает мембрану. Учитывая последнюю особенность строения, эти рецепторы иногда обозначают как 7-ТМС-рецепторы, то есть рецепторы, имеющие семь

трансмембранных сегментов. Внеклеточный гормоносвязывающий домен рецептора взаимодействует с гормоном, а внутриклеточный домен взаимодействует со специфическими мембранными G-белками.

Аденилатциклазный механизм

Актив протеинк азы А

Фосфор ование белков-ф ментов

Изменение метаб изма Биологический эффект

381