БХ методички 2 курс / Metodichki / методы / Гормоны

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Новосибирский государственный медицинский университет»

Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации (ГБОУ ВПО НГМУ Минздравсоцразвития России)

ПЕДИАТРИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра медицинской химии

В.И. Шарапов, В.Г.Титова

БИОХИМИЯ ГОРМОНОВ И ГОРМОНОПОДОБНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ

Под редакцией профессора Потеряевой О.Н.

Методические указания для студентов 2-го курса лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов

X

Новосибирск - 2012

1

В.И.Шарапова, В.Г.Титова, О.Н. Потеряева

Биохимия гормонов и гормоноподобных регуляторов. – Новосибирск, НГМУ.- 2012.- 40с.

В настоящих методических указаниях рассмотрены вопросы структуры, классификации, синтеза, секреции, механизма действия основных групп регуляторов, влияние их на обмен веществ.

Материал освещен в соответствии с рабочей программой по биологической химии для студентов лечебного, педиатрического и факультетов. Тестовые задания и ситуационные задачи предназначены для контроля уровня знаний студентов.

Методические указания могут быть использованы студентами 2-го курса всех факультетов для подготовки к практическим занятиям, коллоквиумам, экзамену по биологической химии.

Рецензенты:

О.Р. Грек, д.м.н., профессор, заведующий кафедрой фармакологии НГМУ, А.А. Зубахин, д.м.н., профессор кафедры патологической физиологии и клинической патофизиологии НГМУ

Переработанное пособие утверждено на заседании кафедры медицинской химии (протокол № 8 от 14.11.2011г.)

Утверждено и рекомендовано к печати ЦМК по физиологии (протокол № 2 от 18 января 2012г.)

©Шарапов В.И., Титова В.Г., Потеряева О.Н.

©Новосибирский государственный медицинский университет, 2012 г.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ:

Введение …………………………………………………………………………………….1

Раздел 1.

Биохимические основы регуляции ………………………………………………………... 2

Раздел 2

Белково-пептидные регуляторы …………………………………………………………… 6

Раздел 3

Регуляторы – производные аминокислот ……………………………………………….. 21

Раздел 4

Стероидные гормоны ……………………………………………………………………. 27

Раздел 5

Регуляторы-производные эйкозановых кислот ………………………………………………………………………………………. 34

Раздел 6

Тестовые задания ………………………………………………………………………….. 36

Раздел 7

Ситуационные задачи ……………………………………………………………………...39 Список сокращений ……………………………………………………………………….40 Литература ………………………………………………………………………………… 40

ВВЕДЕНИЕ

Эндокринология – наука, изучающая развитие, строение и функцию желез внутренней секреции, а также биосинтез, механизм действия и метаболизм гормонов в организме, секрецию этих гормонов в норме и при нарушении функции эндокринных желез, а также возникающие при этом эндокринные заболевания. Таким образом, эндокринология является комплексной наукой, включающей морфологию, физиологию и патофизиологию, химию, биохимию, иммунохимию гормонов, получение гормонов и их аналогов, применение их не только при эндокринных, но и при других заболеваниях. В настоящее время практически нет клинических дисциплин, которые не использовали бы прямо или косвенно данные, полученные в области эндокринологии.

В последние 20 – 30 лет отмечается тенденция к повышению распространенности эндокринных заболевания, особенно сахарного диабета. Это свидетельствует о том, что любой врач в своей практической деятельности постоянно встречается с эндокринной патологией различной степени выраженности. Изучение эндокринологии помогает более ранней диагностике и лечению эндокринных заболеваний, тем более, что быстрый прогресс в области научных исследований позволил пересмотреть вопросы патогенеза и лечения многих заболеваний. Эндокринология давно выделилась в самостоятельную медицинскую дисциплину, а накопленный объем знаний о железах внутренней секреции и заболеваниях, являющихся результатом нарушения функции периферических эндокринных желез вследствие первичной их патологии ил нарушения регуляции их функционирования, диктует необходимость преподавания этой дисциплины в медицинском ВУЗе.

3

Раздел 1.

БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕГУЛЯЦИИ

Специализированный аппарат межклеточной регуляции представлен в организме нервной и эндокринной системами. Первая - центр обработки информации и принятия решений, воспринимающий импульсы, которые отражают воздействие на организм внешней среды. Нервная система обеспечивает быстрый и относительно кратковременный способ регуляции. Эндокринная система осуществляет более длительный и медленный контроль через посредство циркулирующих жидкостей (гуморальная регуляция), переносящих специфические регуляторы.

Вфункциональном отношении вся группа регуляторов подразделяется на:

1.Специализированные регуляторы

2.Неспециализированные регуляторы

Специализированные регуляторы – биологически активные вещества, для которых функция регуляции являет основной или даже единственной. К ним относятся истинные и тканевые гормоны, медиаторы нервной системы.

К неспециализированные регуляторам относятся все метаболиты – субстраты и продукты биохимических реакций, коферменты, макроэргические соединения. Для них функция регуляции не является основной.

СВОЙСТВА РЕГУЛЯТОРОВ

1.Высокая биологическая активность: способность оказывать свое действие в чрезвычайно низких концентрациях;

2.Специфичность действия – своеобразие химической структуры, функции.

3.Секретируемость: в синтезирующих регулятор клетках может образоваться ряд биологически активных веществ – промежуточных продуктов синтеза или катаболизма, но при этом не выделяемых из клеток в связи с этим не оказывающих никакого влияния на окружающие клетки.

4.Дистантность действия. Этим свойством обладают только истинные гормоны, которые синтезируются в определенном специализированно органе – эндокринной железе Гормоны оказывают действие на органы, ткани отдаленные от места образования. Это свойство позволяет отличить их от местных или тканевых гормонов. Последние, как правило, обеспечивают саморегуляцию тканевых процессов в месте их образования. Сюда относятся кинины, гистамин, серотонин и др.

РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА И СЕКРЕЦИИ ГОРМОНОВ

Выработка гормона железой, поддержание концентрации гормона в крови на физиологическом уровне может осуществляться:

1)многоуровневой системой саморегуляции,

2)субстратной регуляцией.

1)Функция части эндокринных желез контролируется трехуровневой системой саморегуляции. Это - кора надпочечников (гипоталямо-гипофизарно-надпочечниковая система), половые железы (гипоталямо-гипофизарно-гонадальная система), щитовидная

железа (гипоталямо-гипофизарно-тиреоидная система). Многоуровневая регуляция осуществляется следующим образом. Выделяясь из нервных волокон в ответ на самые разнообразные воздействия внешней среды, медиаторы действуют на специфические рецепторы гипоталамуса, что приводит к высвобождению в гипоталямусе нейропептидов

– релизинг-факторов - либеринов или статинов. Либерины и статины регулируют продукцию и освобождение тропных гормонов передней доли гипофиза. В свою очередь тропные гормоны регулируют функцию желез внутренней секреции. Увеличение или

4

2) Регуляции функции эндокринных желез, поддерживающих водноэлектролитный баланс (минералокортикоиды, кальцитонин, паратгормон), углеводный обмен (инсулин, глюкагон) осуществляется субстратным способом – содержанием минеральных веществ, воды, глюкозы.

СХЕМА РЕГУЛЯЦИИ СЕКРЕЦИИ ГОРМОНОВ

КЛЕТКИ-МИШЕНИ

Таким образом, центральная нервная система, которая воспринимает все сигналы об изменениях внешней или внутренней среды передает эту информацию клеткам посредством гуморальных регуляторов.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ РЕГУЛЯТОРОВ

Регуляции подвергаются основные функции клетки: транспорт, биосинтез полимеров, деление клетки, специфические функции клетки: сокращение, возбудимость, секреция, агрегация тромбоцитов, реакции иммунитета и т.д.

Действие гормонов на уровне клетки начинается с того, что гормон связывается со специфическим рецептором. Взаимодействие гормона с рецептором зависит от химической природы гормона, растворимости, локализации рецепторов, природе сигнала, опосредующего гормональный внутриклеточный эффект. Учитывая вышеперечисленные свойства, все гормоны могут быть разделены на 2 группы, имеющие принципиально различный механизм действия.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КЛАССОВ ГОРМОНОВ:

Главным и первичным объектом действия регуляторов являются внутриклеточные обменные процессы, скорость протекания которых зависит от ферментов. Таким образом, регуляторы внутри клетки изменяют либо количество ферментов, либо их активность, что может осуществляться: 1. Фосфорилированием-дефосфорилированием, 2. Ограниченным протеолизом, 3. Действием ингибиторов и активаторов. Кроме того, регуляторы, изменяя проницаемость мембран, контролируют поступление к месту протекания биохимической реакции субстратов, эффекторов, удаление продуктов реакции.

Основным условием реагирования клетки на данный регулятор является наличие в ней специфического рецептора. Рецепторы представляют собой крупномолекулярные олигомерные белки, состоящие из 2-4 субъединиц. К основным свойствам рецепторных белков, отличающих их от неспецифических гормонсязывающих белков следует отнести:

1.Высокое сродство рецептора к связываемому регулятору. Это свойство рецепторов обеспечивает связывание низких физиологических количеств регулятора клеткоймишенью и, следовательно, ее высокую чувствительность к регулятору.

2.Высокая избирательность связывания, стереоспецифичность связывающих мест. Рецепторные белки способны связывать преимущественно определенную группу природных и синтетических регуляторов. При малейшем изменении структуры изменяется способность рецептора связывать данный регулятор.

3.Ограниченная связывающая емкость рецепторов, их легкая насыщаемость соответствующей группой регуляторов. Это свойство рецепторов, вероятно, ограничивает взаимодействие клетки с регулятором рамками его физиологических концентраций.

4.Обратимость связывания.

Регуляторы первой группы плохо проникают внутрь клетки, действуют с ее поверхности и требуют внутриклеточных медиаторов. Характерной стороной их действия являются относительно быстрые эффекты, обусловленные активацией предшествующих, уже синтезированных ферментов и других белков. В этом случае основным барьером для передачи информации является клеточная мембрана. В ней находятся механизмы, преобразующие внешние сигналы регулятора во внутриклеточные, которые передаются молекулам-посредникам. На молекулярном уровне процесс передачи обеспечивается цепочкой мембранных белков, последовательно взаимодействующих друг с другом. На определенном этапе дальнейшая передача информации поручается находящимися внутри клетки низкомолекулярным веществам и даже ионам - вторичным посредникам. Число посредников очень мало, т.е. пути передачи информации универсальны.

Регуляторы второй группы (тироксин, стероидные гормоны) осуществляют глубокую и длительную перестройку клеточного метаболизма, сопряженную с влиянием на биосинтетические процессы и прежде всего на процессы транскрипции.

Регуляторы первой группы, связываясь с рецепторами на поверхности клетки (белково-пептидные гормоны, катехоламины) и действуют через внутриклеточные посредники:

1.Через циклический аденозинмонофосфат (цАМФ).

2.Через комбинацию посредников, включающую Са2+, диацилглицерид (ДАГ) и инозитолтрифосфат (ИнТФ).

Эти два пути имеют много общего:

1.Наличие рецептора.

2.Наличие белков, локализованных в мембране и передающих информацию к ферменту. При взаимодействии регулятора с рецептором происходит изменение

6

конформации G-белка, при этом используется ГТФ и происходит активация фермента. В первом случае этим ферментом является аденилатциклаза, во втором – фосфолипаза С.

3. Сходны и конечные стадии: вторичные посредники вызывают изменение конформации внутриклеточных белков: а) посредник может непосредственно связываться с белком (например Са 2+ с тропонином С); б) посредник активирует протеинкиназу, которая фосфорилирует ферменты, что приводит к изменению их активности.

Рассмотрим последовательность событий при активации аденилатциклазы (рис.1):

1.Регулятор связывается с рецепторов,

2.Активируется G-белок.

3.Активируется аденилатциклаза, которая превращает АТФ в цАМФ.

ЦАМФ активирует внутри клетки протеинкиназу, которая фосфорилирует фермент, что приводит к изменению его активности с последующим развитием какого-либо биологического эффекта:

Гормон рецептор

фермент

Фермент Биологические +Ф

эффекты

Рисунок 1. Аденилатциклазный механизм действия регуляторов на клетку

Рисунок 2. Фосфолипазный механизм действия регуляторов на клетку

7

При реализации второго пути основным посредником является кальций, концентрация которого в цитоплазме ниже, чем вне клетки и внутри субклеточных структур (митохондрий, ЭПР, кальцийсом). Действие на клетку регулятора приводит к повышению количества кальция в цитоплазме. Последовательность событий в этом случае следующая (рис.2):

1.Связывание регулятора с рецептором,

2.Активация G –белка,

3.Активация мембранного фермента фосфолипазы С (ФЛП-С) которая расщепляет фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат на диацилглицерид (ДАГ) и инозитолтрифосфат (ИнТФ),

4.ДАГ: а) регулирует проницаемость мембран; б) активирует Са-независимую протеинкиназу, которая фосфорилирует белки-ферменты с последующим развитием биологического эффекта,

5.ИнТФ способствует мобилизации внутриклеточного Са с повышением его концентрации в цитоплазме,

6.Кальций связывается с белком кальмодулином и активирует его,

7.Активируется протеинкиназа, которая фосфорилирует белки-ферменты,

8.Развивается какой-либо биологический эффект.

Регуляция биологических функций на уровне организма осуществляется комплексом процессов, которые объединяются в единую систему – гуморальный регуляторный механизм. Эта система состоит из нескольких звеньев:

Синтез и секреция регулятора.

Звено управления. Все процессы синтеза и секреции регуляторов находятся под нейрогуморальным контролем (ЦНС, гипоталамо-гипофизарная система).

Транспорт к органам-мишеням.

Катаболизм и выведение.

Нарушение любого из звеньев единого процесса приводит к нарушениям в системе регуляции и развитию эндокринных заболеваний.

Выделяют первичные и вторичные формы патологии.

При первичных формах происходит поражение какого-либо звена гуморального регуляторного механизма (звена управления, синтеза и секреции и т.д.). К первичным формам относятся заболевания, вызванные патологией рецепторов. В этих случаях функция эндокринной железы не страдает, количество регулятора не изменено. Однако нарушается чувствительность клеток-мишеней вследствие либо изменения количества рецепторов, либо их сродства к регулятору.

Вторичная патология. При заболеваниях внутренних органов эндокринные железы могут повреждаться вторично (нарушение кровообращения, например) или из-за нарушения их функции могут измениться скорость катаболизма и выведения, транспорт регуляторов.

Раздел 2.

БЕЛКОВО-ПЕПТИДНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Белково-пептидные регуляторы (небольшие пептиды, олигопептиды, простые белки, гликопротеиды) – наиболее многочисленный, разнообразный по составу и вариабельный в сравнительно-биологическом плане класс гормональных соединений.

По особенностям химической структуры, свойств и физиологическим функциям входящих в него регуляторов этот класс можно разделить на семейства:

1)нейрогипофизарных пептидов;

2)гипоталамических рилизинг-факторов;

8

3)ангиотензинов;

4)олигопептидных гипофизарных гормонов ряда АКТГ;

5)олигопептидных гормонов типа глюкагона и гормонов желудочно-кишечного тракта;

6)инсулина;

7)олигопептидных гормонов тимуса;

8)полипептидных гормонов, регулирующих обмен Са и Р;

9)одноцепочечных (мономерных) белково-пептидных гормонов ряда СТГ;

10)димерных гликопротеидных гормонов. К пептидным регуляторам относятся также эритропоэтин, соматомедины, фактор регрессии мюллеровых каналов семенников.

Синтез, активация и секреция белково-пептидных регуляторов

Формирование первичной структуры прогормонов или гормонов белково-пептидной природы - результат прямой трансляции нуклеотидных последовательностей соответствующих м-РНК. Структура большинства белковых гормонов или их предшественников формируется в полисомах по общей схеме синтеза белка. Исключение составляют либерины и статины гипоталамуса. Синтез этих пептидов происходит не в полисомах на матрице и-РНК, а в растворимой части цитоплазмы под действием специфических для каждого пептида синтетазных систем, состоящих из комплекса специфических ферментов.

При прямой трансляции происходит образование малоактивных предшественников – прегормонов. Это первый этап синтеза. Он проходит непосредственно в клетках эндокринной железы. Второй этап – образование активного регулятора осуществляется либо в эндокринной железе, либо вне ее.

Посттрансляционная активация гормональных предшественников может осуществляться в двух формах:

1.Ферментативная деградация молекул предшественников с уменьшением размеров молекулы активируемого гормона (рис.3),

2.Неферментативная ассоциация субъединиц с укрупнением молекулы (рис.4).

1.Ферментативная деградация протекает при участии специфических протеаз ограниченного действия (для СТГ, инсулина, паратгормона и т.д.):

Рисунок 3. Активация регуляторов путем ограниченного протеолиза

2. Неферментативная ассоциация осуществляется внутри эндокринной клетки и характерна для димерных гликопротеидных гормонов – ЛГ, ФСГ, ТТГ:

Рисунок 4. Активация регуляторов путем объединения двух субъединиц

9

Биологический смысл посттрансляционной активации регуляторов:

1.Ограничение гормональных эффектов в месте образования;

2.Облегчение клеточного транспорта;

3.Обеспечение оптимальных условий для проявления полифункциональных регулирующих эффектов при минимальном использовании генетического и строительного материалов.

Важнейшим структурно-функциональным элементом секреции белково-пептидных гормонов являются секреторные гранулы – специализированные клеточные органеллы, которые представляют собой образования диаметром 100-400 нм, окруженные липопротеидной мембраной. Возникают секреторные гранулы из комплекса Гольджи, элементы которого окружают прогормон или гормон, постепенно формируя гранулы.

Функции гранул:

1.могут быть местом активации пептидных гормонов и последних этапов биогенеза катехоламинов,

2.хранение гормонов в клетке до момента воздействия специфического секреторного стимула в недиффундирующей форме,

3.защита от действия цитоплазматических ферментов,

4.внутриклеточный транспорт и гормональный эндоцитоз.

Большое значение в механизмах депонирования имеют некоторые вещества и

ионы, содержащиеся внутри гранул. К ним относятся белки, нуклеотиды, ионы, образующие комплексы с гормонами и тем самым подавляющие способность их проникать через мембрану (окситоцин вазопрессин связан с нейрофизинами; инсулин депонируется в связи с цинком).

Секреция регулируется через цАМФ, осуществляется экзоцитозом.

Механизм действия белково-пептидных регуляторов на клетки-мишени

1 способ:

Активация аденилатциклазы и накопление в клетке цАМФ в роли вторичного посредника. цАМФ выступает как аллостерический регулятор протеинкиназы, которая фосфорилирует белки-ферменты, некоторые белки рибосом, транспортные белки мембран, гистоны.

Реже в роли вторичных посредников выступают другие циклические нуклеотиды: цГМФ, цАМФ.

Этот путь присущ глюкагону, ТТГ, ФСГ, АКТГ, адреналину (через -рецепторы).

2 способ:

Инактивация аденилатциклазы при образовании гормон-рецепторного комплекса с быстрым снижении ц-АМФ-активируемых процессов (адреналин через -2 рецепторы).

3 способ:

Активация фосфолипазы С мембран гормон-рецепторным комплексом через G-белок с образованием в качестве вторичных посредников ДАГ, инозитол-3-фосфата, кальция кальмодулина. При этом происходит активация специфической протеинкиназы С и фосфорилирование ряда специфических ферментов.

Этим механизмом пользуется инсулин, адреналин (через -1 адренорецепторы), окситоцин, возопрессин, либерины.

4 способ:

Некоторые БПГ должны подвергнуться предварительному преобразованию.

10