Строение биосинтез и биологическое действие гормонов

АКТГ – адренокортикотропный гормон

ВНД – высшая нервная деятельность

ВМК – ванилилминдальная кислота

ГТГ – гонадотропные гормоны

ЛГ – лютеинизирующий гормон

ЛПВП – липопротеины высокой плотности

ЛПОНП – липопротеины очень низкой плотности

МСГ – меланоцитостимулирующий гормон

СТГ – соматотропный гормон

Т4 – тетраиодтиронин (тироксин)

Фн – фосфат неорганический

ФСГ – фолликулостимулирующий гормон

цАМФ – циклический аденозинмонофосфат

цГМФ – циклический гуанозинмонофосфат

ЦНС – центральная нервная система

Введение

Имеющаяся в учебниках обширная информация по теме «Биохимия гормонов» не позволяет студентам, впервые изучающим этот раздел, правильно сориентироваться в выборе главных моментов для понимания биологических эффектов и молекулярных механизмов действия гормонов на организм. Целью настоящего издания является предоставление студентам информации о биохимии гормонов в более четкой и ясной форме, что будет способствовать овладению учебной дисциплиной.

Материал пособия содержит описание общих закономерностей действия гормонов на клетку, а также обоснование и объяснение молекулярных механизмов влияния гормонов на организм в норме и при патологических состояниях.

Предлагаемый учебный материал поможет студентам глубже понять значимость регуляторных механизмов для согласованной работы органов и систем, а также научиться разбираться в сущности биохимических процессов, лежащих в основе метаболических нарушений при патологии эндокринной системы.

Гормоны

Из всех биологически активных соединений и субстратов, принимающих участие в регуляции биохимических процессов и функций, особая роль принадлежит гормонам.

Слово «гормон» происходит из греческого языка и означает «возбуждать», «приводить в движение».

Гормоны – это органические вещества, которые образуются в тканях одного типа (эндокринные железы, или железы внутренней секреции), поступают в кровь, переносятся по кровяному руслу в ткани другого типа (ткани-мишени), где оказывают своё биологическое действие (т. е. регулируют обмен веществ, поведение и физиологические функции организма, а также рост, деление и дифференцировку клеток).

Классификация гормонов

По химической природе гормоны делятся на следующие группы:

1. пептидные – гормоны гипоталамуса, гипофиза, инсулин, глюкагон, гормоны паращитовидных желез;

2. производные аминокислот – адреналин, тироксин;

3. стероидные – глюкокортикоиды, минералокортикоиды, мужские и женские половые гормоны;

4. эйкозаноиды – гормоноподобные вещества, которые оказывают местное действие; они являются производными арахидоновой кислоты (полиненасыщенная жирная кислота).

По месту образования гормоны делятся на гормоны гипоталамуса, гипофиза, щитовидной железы, паращитовидных желёз, надпочечников (коркового и мозгового вещества), женские половые гормоны, мужские половые гормоны, местные или тканевые гормоны.

По действию на биохимические процессы и функции гормоны делятся на:

1. гормоны, регулирующие обмен веществ (инсулин, глюкагон, адреналин, кортизол);

2. гормоны, регулирующие обмен кальция и фосфора (паратиреоидный гормон, кальцитонин, кальцитриол);

3. гормоны, регулирующие водно-солевой обмен (альдостерон, вазопрессин);

4. гормоны, регулирующие репродуктивную функцию (женские и мужские половые гормоны);

5. гормоны, регулирующие функции эндокринных желёз (адренокортикотропный гормон, тиреотропный гормон, лютеинизирующий гормон, фолликулостимулирующий гормон, соматотропный гормон);

6. гормоны стресса (адреналин, глюкокортикоиды и др.);

7. гормоны, влияющие на ВНД (память, внимание, мышление, поведение, настроение): глюкокортикоиды, паратиреоидный гормон, тироксин, адренокортикотропный гормон)

Свойства гормонов

Высокая биологическая активность. Концентрация гормонов в крови очень мала, но их действие сильно выражено, поэтому даже небольшое увеличение или уменьшение уровня гормона в крови вызывает различные, часто значительные, отклонения в обмене веществ и функционировании органов и может привести к патологии.

Короткое время жизни, обычно от нескольких минут до получаса, после чего гормон инактивируется или разрушается. Но с разрушением гормона его действие не прекращается, а может продолжаться в течение часов и даже суток.

Дистантность действия. Гормоны вырабатываются в одних органах (эндокринных железах), а действуют в других (тканях- мишенях).

Высокая специфичность действия. Гормон оказывает своё действие только после связывания с рецептором. Рецептор – это сложный белок-гликопротеин, состоящий из белковой и углеводной частей. Гормон связывается именно с углеводной частью рецептора. Причём строение углеводной части имеет уникальную химическую структуру и соответствует пространственному строению гормона. Поэтому гормон безошибочно, точно, специфично связывается только со своим рецептором, несмотря на малую концентрацию гормона в крови.

Не все ткани одинаково реагируют на действие гормона. Высокой чувствительностью к гормону обладают те ткани, в которых имеются рецепторы к данному гормону. В таких тканях гормон вызывает наиболее выраженные сдвиги в обмене веществ и функциях. Если рецепторы к гормону есть во многих, или почти во всех тканях, то такой гормон оказывает общее действие (тироксин, глюкокортикоиды, соматотропный гормон, инсулин). Если рецепторы к гормону присутствуют в весьма ограниченном числе тканей, то такой гормон обладает избирательным действием. Ткани, в которых имеются рецепторы к данному гормону, называются ткани-мишени. В тканях-мишенях гормоны могут воздействовать на генетический аппарат, мембраны, ферменты.

Типы биологического действия гормонов

1. Метаболическое – действие гормона на организм проявляется регуляцией обмена веществ (например, инсулин, глюкокортикоиды, глюкагон).

2. Морфогенетическое – гормон действует на рост, деление и дифференцировку клеток в онтогенезе (например, соматотропный гормон, половые гормоны, тироксин).

3. Кинетическое или пусковое – гормоны способны запускать функции (например, пролактин – лактацию, половые гормоны – функцию половых желёз).

4. Корригирующее. Гормонам принадлежит важнейшая роль в адаптации человека к различным факторам внешней среды. Гормоны изменяют обмен веществ, поведение и функции органов так, чтобы приспособить организм к изменившимся условиям существования, т.е. осуществляют метаболическую, поведенческую и функциональную адаптацию, тем самым поддерживают постоянство внутренней среды организма.

Механизм действия пептидных гормонов и адреналина

Рецепторы к этим гормонам находятся на наружной поверхности клеточной мембраны, и гормон внутрь клетки не проникает. Действие гормона в клетку передается при помощи так называемых вторых посредников, к которым относятся циклический АМФ (цАМФ), циклический ГМФ (цГМФ), кальций, инозитолтрифосфат, диацилглицерол (диглицерид) и некоторые другие. В системе передачи регуляторного сигнала они называются вторыми посредниками, потому что первым посредником является сам гормон.

Каждый из вторых посредников активирует специфическую протеинкиназу. Протеинкиназы фосфорилируют ферменты, и это изменяет активность ферментов.

Главным вторым посредником является цАМФ (рис. 1). Большинство гормонов действует через него. Другие посредники, действуя через свои протеинкиназы, могут изменять содержание цАМФ в клетке путём повышения или снижения активности ферментов, синтезирующих или разрушающих цАМФ.

Циклический АМФ образуется в клетке из АТФ под действием аденилатциклазной системы (рис. 2). В состав аденилатциклазной системы входят: рецептор, G-белок и фермент аденилатциклаза. G- белок называется так потому, что он способен связывать гуаниловые нуклеотиды (ГТФ или ГДФ). Существует 2 разновидности G-белка: Gs – стимулирует аденилатциклазу и увеличивает образование цАМФ и Gi – ингибирует аденилатциклазу и уменьшает образование цАМФ.

Белки Gs и Gi оказывают своё активирующее или ингибирующее действие только когда находятся в! активном состоянии. G-белок активен, когда он связан с ГТФ, и наоборот, связанный с ГДФ, G- белок неактивен.

Пока гормон не действует на клетку, аденилатциклазная система неактивна; все её компоненты разобщены и с G-белком связан ГДФ. Однако после связывания гормона с рецептором происходит последовательное изменение конформации всех компонентов аденилатциклазной системы, G-белок обменивает ГДФ на ГТФ, переходит в активное состояние и активирует аденилатциклазу, которая из АТФ синтезирует цАМФ. Циклический АМФ, в свою очередь, активирует специфическую цАМФ-зависимую протеинкиназу (протеинкиназу А), которая фосфорилирует внутриклеточные ферменты, в результате чего изменяется активность ферментов.

Протеинкиназа состоит из 4 субъединиц (тетрамер), две из которых являются регуляторными, а две – каталитическими (рис. 3. . В таком виде протеинкиназа неактивна. При связывании протеинкиназой 4 молекул цАМФ происходит отсоединение (диссоциация) каталитических субъединиц, которые фосфорилируют белки (ферменты), изменяя их активность.

Разрушается цАМФ фосфодиэстеразой.

Циклический ГМФ образуется из ГТФ под действием гуанилатциклазы по аналогии с синтезом цАМФ. Циклический ГМФ активирует специфическую цГМФ-зависимую протеинкиназу или протеинкиназу G, которая фосфорилирует ферменты, что сопровождается изменением их активности. Разрушается цГМФ, как и цАМФ, фосфодиэстеразой.

Кальций

Концентрация Са2+ во внеклеточной жидкости в 10 000 раз больше, чем в цитоплазме. Такая концентрация кальция оказалась бы потенциально летальной для клетки. Клетка борется с избытком Са2+ в цитоплазме путём откачивания его наружу с помощью Са2+- АТФазы, расположенной в плазматической мембране.

Под действием гормонального сигнала концентрация Са2+ в клетке возрастает в 10 и более раз за счет притока Са2+ из внеклеточной жидкости, а также выхода Са2+ из ЭПР и митохондрий. В клетке Са2+ связывается с белком кальмодулином и активирует специфическую Са2+-кальмодулин-зависимую протеинкиназу. В ГЛ 2+ ответ на гормональный сигнал и повышение концентрации Са в клетке специфическая протеинкиназа катализирует фосфорилирование множества внутриклеточных ферментов, регулируя, тем самым, их активность.

Инозитолтрифосфат и диглицерид

Эти вторые посредники являются производными фосфолипида мембран, фосфатидилинозитола. Указанный фосфолипид фосфорилируется в мембране под действием фермента фосфатидилинозитолкиназы при участии 2 молекул АТФ (рис. 4. .

Образующийся фосфатидилинозитолдифосфат расщепляется под действием специфического мембраносвязянного фермента фосфолипазы С, в результате чего образуются два вторых посредника: диглицерид (диацилглицерол, ДАГ) и инозитолтрифосфат (ИФ3.)

Биологические эффекты этих двух вторых посредников реализуются по-разному. ДАГ активирует Са2+-зависимую протеинкиназу С, которая катализирует фосфорилирование внутриклеточных ферментов, изменяя их активность. ИФ3 связывается со специфическим рецептором на ЭПР, способствуя выходу из него Са2+ в цитоплазму. Далее Са2+ связывается с кальмодулином и активирует Са2+-кальмодулин-зависимую протеинкиназу, которая катализирует фосфорилирование ферментов, изменяя их активность (рис. 5.)

Механизм действия стероидных гормонов и тироксина

Рецепторы к этим гормонам находятся внутри клетки, в цитоплазме. Гормон легко и быстро проникает через мембрану внутрь клетки, взаимодействует с рецептором с образованием гормон-рецепторного комплекса. Этот комплекс переносится в ядро, где связывается с ядерным хроматином в определенном участке ДНК. С этого участка ДНК начинается синтез специфических мРНК, которые затем выходят в цитоплазму и служат матрицей для синтеза ферментов или других белков, необходимых клетке и обеспечивающих ответ клетки на действие гормона (рис. 6. .

Таким образом, под действием пептидных гормонов и адреналина в клетке изменяется активность ферментов; стероидные гормоны и тироксин приводят к изменению количества ферментов.

Гормоны щитовидной железы

В щитовидной железе синтезируются тиреоидные гормоны – тироксин (Т4. и трииодтиронин (Т3. . Для синтеза этих гормонов необходим иод, который активно захватывается из крови клетками фолликулов щитовидной железы. Тироксин и трииодтиронин являются производными аминокислоты тирозина. Тироксин содержит в своей молекуле 4 атома иода, в состав трииодтиронина входит 3 атома иода.

В клетках эпителия фолликулов щитовидной железы находится белок тиреоглобулин. Это гликопротеин, содержащий много остатков аминокислоты тирозина (около 3 % от массы белка). Синтез тиреоидных гормонов идет из тирозина и атомов иода именно в составе молекулы тиреоглобулина и включает 2 стадии. На апикальных мембранах клеток фолликулов сначала происходит иодирование тирозина с образованием моноиодтирозина (МИТ) и дииодтирозина (ДИТ). Следующим этапом является конденсация МИТ и ДИТ с образованием Т3 и Т4 (рис. 7. .

Такая иодированная молекула тиреоглобулина секретируется в просвет фолликула, в коллоид. Когда в щитовидную железу приходит сигнал в виде ТТГ (тиреотропного гормона), клетки фолликула захватывают капельки коллоида вместе с тиреоглобулином, ферменты лизосом протеазы гидролизуют белок до аминокислот, и готовые Т3 и Т4 поступают в кровь.

В крови тиреоидные гормоны связываются с белком- переносчиком и в таком виде транспортируются в ткани-мишени. Концентрация Т4 в крови в 10 раз больше, чем Т3, поэтому Т4 называют главной формой тиреоидных гормонов в крови. Но Т3 в 10 раз активнее, чем Т4.

Ткани-мишени для тиреоидных гормонов – это все ткани, кроме селезёнки и семенников.

В тканях-мишенях тиреоидные гормоны освобождаются от белка и поступают в клетку. В клетках 90 % Т4 теряет 1 атом иода и превращается в Т3. Таким образом, главной внутриклеточной формой гормона является Т3.

Действие тиреоидных гормонов на организм зависит от концентрации этих гормонов в крови: в физиологических дозах они оказывают анаболическое действие, в больших дозах – катаболическое.

Действие физиологических (нормальных) концентраций Т4

Главное действие физиологических концентраций тиреоидных гормонов направлено на синтез белка и на энергетический обмен.

Действие Т4 на синтез белка. Через рецепторы цитоплазмы гормон действует на хроматин ядра, в результате чего увеличивается синтез нуклеиновых кислот (ДНК, мРНК) и белка. Наработка новых молекул белка ускоряет рост, деление и дифференцировку клеток, что особенно важно для растущего организма.

Тиреоидные гормоны абсолютно необходимы для структурного, биохимического и функционального созревания мозга. Считают, что в ЦНС клетки продолжают делиться в течение 1–1,5 лет после рождения. Поэтому если в этот период или еще до рождения возникает дефицит тиреоидных гормонов (гипотиреоз), это приводит к снижению синтеза белка во всем организме и, в частности, в мозговой ткани, нарушается процесс дифференцировки коры больших полушарий и мозжечка, и развивается умственная и физическая отсталость. Гипотиреоз у детей называется кретинизм. Чем раньше возникает дефицит тиреоидных гормонов, тем сильнее это сказывается на задержке развития ЦНС. Поэтому, чрезвычайно важна ранняя диагностика гипотиреоза, чтобы своевременно назначить адекватное лечение и избежать умственной отсталости.

Действие Т4 на энергетический обмен. Тиреоидные гормоны активируют энергетический обмен, т.е. расходование и синтез АТФ. Поскольку одновременно активируются 2 противоположно направленных процесса, между ними сохраняется равновесие. Внешне это проявляется увеличением потребления кислорода тканями и образованием тепла для поддержания нормальной температуры тела.

Молекулярный механизм действия тиреоидных гормонов на энергетический обмен заключается в следующем. Тиреоидные гормоны увеличивают расходование АТФ на энергозависимые процессы, в результате чего образуется АДФ. АДФ является активатором цепи тканевого дыхания (ЦТД), где из АДФ вновь образуется АТФ, которая снова расходуется на энергозависимые процессы.

Из всех энергозависимых процессов наиболее энергоёмким процессом является работа по поддержанию электрохимического градиента концентрации ионов Na+ и K+ по обеим сторонам клеточной мембраны. В процессе жизнедеятельности любая клетка, и нервная клетка в частности, может находиться в состоянии покоя и функционирования. В покое концентрация K+ в клетке больше, чем Na+, снаружи – наоборот. При функционировании клетки K+ выходит из неё, Na+ – входит в клетку.

Чтобы вернуть клетку в состояние покоя, надо выкачать из неё Na+ и ввести K+. Работу по восстановлению исходной концентрации ионов в клетке выполняет фермент ^+,К+-АТФаза. Процесс идет с затратой энергии АТФ, в результате чего образуется АДФ и Фн. №+Д+-АТФаза содержится в мембране всех клеток и является важнейшим ферментом для нормального функционирования нервной ткани. Важно отметить, что на работу ^^^-АТФазы расходуется большая часть энергии клетки (от 20 до 80 %, в среднем 50 % клеточных запасов АТФ).

Тиреоидные гормоны стимулируют №+Д+-АТФазу, тем самым увеличивая расщепление АТФ и образование АДФ и Фн в цитоплазме. АДФ затем переносится из цитоплазмы в митохондрию, где АДФ активирует ЦТД и, таким образом, повышает синтез АТФ, который используется при функционировании ^^^-АТФазы.

Таким образом, тиреоидные гормоны одновременно увеличивают использование АТФ и его образование, т. е. поддерживают энергетическое равновесие в клетке.

Сохранение энергетического равновесия очень важно для поддержания электрохимического градиента Na+ и K+ по обеим сторонам клеточной мембраны. Это является основой для нормального функционирования нервной ткани, т.е. для координации процессов возбуждения и торможения в мозге. Благодаря участию тиреоидных гормонов, процессы возбуждения и торможения в мозге скоординированы. При избытке или дефиците тиреоидных гормонов нарушается энергетическое равновесие, нарушаются электрохимические процессы в ЦНС, что сопровождается определёнными мозговыми симптомами.

Действие высоких (избыточных) концентраций Т4

При гипертиреозе (тиреотоксикоз, или Базедова болезнь) в организме образуется избыточное количество тироксина. Большие концентрации гормона действуют на митохондрии, которые являются «энергетическими станциями» клетки. В митохондриях находится ЦТД, т.е. цепь переносчиков, которая окисляет субстраты при помощи кислорода и в которой образуется энергия. В норме часть этой энергии запасается в виде АТФ, а часть идет на образование тепла для поддержания нормальной температуры тела. Образование АТФ в ЦТД называется окислительным фосфорилированием. Большие концентрации тиреоидных гормонов разобщают ЦТД и окислительное фосфорилирование. В результате ЦТД работает, субстраты окисляются, энергия в ЦТД образуется, но из-за разобщения ЦТД и окислительного фосфорилирования энергия не запасается в виде АТФ, а рассеивается в виде тепла. Поэтому одним из характерных признаков гипертиреоза является повышение температуры тела. Поскольку образование АТФ при этом заболевании снижается, то наблюдается сильная слабость, так как АТФ необходим для мышечного сокращения и поддержания тонуса мускулатуры. Дефицит АТФ в организме приводит к усиленному распаду белков, углеводов и жиров тела (катаболическое действие больших концентраций тироксина), что сопровождается резким общим похуданием.

Кроме перечисленных симптомов, при гипертиреозе наблюдаются: увеличение щитовидной железы (зоб), пучеглазие (экзофтальм), увеличение частоты сердечных сокращений (тахикардия), возбужденность, беспокойство, нервозность, плаксивость, бессонница, эмоциональная лабильность, потливость, кожа становится влажной и горячей.

Гипофункция щитовидной железы (гипотиреоз) у взрослых называется микседема. Развиваются слизеподобный отек тканей, ожирение, выпадение волос и зубов, апатия, сонливость, психическая инертность, снижение интереса и инициативы, гиперхолестеринемия, жировое перерождение печени, речь становится медленной и невнятной, мимика невыразительной, кожа – сухая, бледная и холодная, снижается температура тела.

Гипофункция щитовидной железы (гипотиреоз) у детей называется кретинизм (см. выше).

Особой формой гипотиреоза является эндемический зоб. Он возникает при недостаточном содержании йода в воде и пище. Компенсаторно разрастается ткань щитовидной железы, но при отсутствии иода это не приводит к увеличению выработки тиреоидных гормонов.

Гормоны паращитовидных желёз

В паращитовидных железах образуется паратиреоидный гормон (паратгормон) и кальцитонин. Однако основное количество кальцитонина вырабатывается в щитовидной железе.

Паратгормон – это гормон белковой природы, который повышает содержание кальция (Са ) и снижает концентрацию фосфата (Р) в крови. Действие паратгормона направлено на следующие ткани-мишени:

1. кости – гормон увеличивает выход Са и Р из кости в кровь; тормозит синтез коллагена в остеобластах, увеличивает разрушение минеральной и органической части кости остеокластами и остеоцитами;

2. кишечник – увеличивает всасывание Са2+ и Р из кишечника в кровь;

3. почки – увеличивает реабсорбцию Са2+ из мочи в кровь, но увеличивает выведение Р с мочой.

Патология

Гиперпаратиреоз – повышенное образование паратгормона, возникающее при опухоли паращитовидных желёз. Так как Са2+ усиленно выходит из кости, то наблюдаются самопроизвольные переломы вследствие рассасывания костной ткани. Повышение концентрации Са2+ в крови приводит:

1. к окостенению внутренних органов, обызвествлению ушибов, кровоподтёков;

2. к понижению нервно-мышечной возбудимости, что проявляется как атрофия и слабость мышц, а также депрессией, нарушением памяти и внимания.

Избыток паратгормона резко увеличивает секрецию гастрина, что, в свою очередь, приводит к повышению секреции HCl и пепсина в желудке, поэтому при избытке паратгормона могут развиться язвы желудка.

Гипопаратиреоз – может наблюдаться после операций на щитовидной железе, когда по ошибке были удалены и паращитовидные железы, либо возникает у детей при инфекциях дыхательных путей. Такое состояние сопровождается снижением концентрации Са2+ в крови, что приводит к повышению нервно- мышечной возбудимости. У взрослых наблюдаются конвульсии, судороги, что характеризуется как тетания. У детей может возникнуть спазмофилия, т.е. состояние, когда ребенок во время плача внезапно синеет из-за спазма дыхательных мышц.

Кальцитонин – понижает концентрацию и Са2+, и Р в крови. Оказывает влияние на те же ткани-мишени, что и паратгормон, однако действие кальцитонина, в основном, противоположно эффектам паратгормона. Однако, как и паратгормон, кальцитонин увеличивает выведение Р с мочой.

Гормоны поджелудочной железы

Инсулин – гормон белковой природы, синтезируется в р-клетках островков Лангерганса, запасается в секреторных гранулах в связи с цинком и выделяется в кровь в ответ на повышение концентрации глюкозы в крови.

По чувствительности к инсулину все ткани можно разделить на 3 группы:

1. Главные ткани-мишени или абсолютно зависимые от инсулина ткани. Они обладают максимальной чувствительностью к инсулину. К этой группе относятся жировая ткань и мышцы. Глюкоза не проникает в эти ткани и не утилизируется в них в отсутствие инсулина.

2. Абсолютно независимые от инсулина ткани. К ним относятся головной мозг, эритроциты, слизистая оболочка (эпителий) тонкого кишечника, мозговое вещество почек, семенники. В клетки этих тканей глюкоза проникает легко даже в отсутствие инсулина и является для них единственным энергетическим субстратом. Эти ткани (клетки) выполняют важнейшие функции организма: мозг – центральную регуляцию, эритроциты – транспорт кислорода, почки – экскрецию, тонкий кишечник – питание, семенники – воспроизводство (размножение). Причем мозг потребляет 50 % всей глюкозы организма, почки и эритроциты – ещё 20 %. Таким образом, для организма оказывается чрезвычайно важным то, что основной метаболический фонд глюкозы и жизненно важные функции оказываются независимыми от инсулина.

3. Относительно зависимые от инсулина ткани. Это все остальные ткани. По чувствительности к инсулину они занимают промежуточное положение между тканями 1-ой и 2-ой группы.

Действие инсулина на внутриклеточный метаболизм

1. Инсулин – единственный гормон, снижающий концентрацию глюкозы в крови. Такой эффект гормона обусловлен следующими механизмами:

• инсулин увеличивает проницаемость мембран для транспорта глюкозы из крови в клетки;

• инсулин активирует использование глюкозы по пути гликолиза (окислительный распад глюкозы) и на синтез гликогена;

• инсулин тормозит распад гликогена (гликогенолиз) и глюконеогенез (процесс образования глюкозы из аминокислот).

2. Инсулин является универсальным анаболическим гормоном. Он усиливает процессы синтеза нуклеиновых кислот, белка, жиров, гликогена и тормозит их распад. Кроме того, анаболическое действие инсулина проявляется в том, что он активирует процессы, дающие энергию для синтезов (гликолиз, цикл трикарбоновых кислот).

Патология

Сахарный диабет – заболевание, обусловленное недостатком инсулина в организме. Наблюдается повышенное содержание глюкозы в крови (гипергликемия), может появляться глюкоза в моче (глюкозурия), усиливается распад (катаболизм) белков, жира, гликогена, тормозится их синтез, активируется глюконеогенез и резко снижается активность гликолиза. В крови и моче повышается концентрация кетоновых тел (кетонемия и кетонурия).

Гиперинсулинизм – наблюдается при инсулиноме (опухоли, развивающейся из Р-клеток островков Лангерганса) и при передозировке инсулина в ходе лечения сахарного диабета. Основными симптомами являются гипогликемия (снижение концентрации глюкозы в крови), судороги, потеря сознания; при тяжелой гипогликемии может наступить смерть.

Глюкагон – гормон полипептидной природы, образуется в а- клетках островков Лангерганса поджелудочной железы. Особенно много глюкагона синтезируется при голодании, то есть глюкагон является главным гормоном, поддерживающим уровень глюкозы в крови при этом состоянии.

Главные ткани-мишени для глюкагона: печень, жировая ткань, корковое вещество почек, сердечная (но не скелетная) мышца.

В печени гормон стимулирует распад гликогена до глюкозы в течение первых суток голодания. Но, так как запасы гликогена в печени полностью исчезают через сутки, то, начиная со вторых суток голодания, глюкагон активирует в печени глюконеогенез, то есть синтез глюкозы из аминокислот, образующихся при распаде белка. Таким образом, благодаря двум указанным механизмам (увеличению распада гликогена и активации глюконеогенеза в печени), глюкагон поддерживает концентрацию глюкозы в крови во время голодания.

В отличие от адреналина, глюкагон не действует на гликоген мышц.?

Также в печени глюкагон ингибирует гликолиз, снижает синтез гликогена и жирных кислот, но активирует синтез кетоновых тел.

В жировой ткани глюкагон увеличивает распад жира и тормозит его синтез.

В корковом веществе почек глюкагон активирует глюконеогенез.

Во всех тканях-мишенях глюкагон увеличивает распад белка, уменьшает его синтез.

Патология. Глюкагонома – опухоль островков Лангерганса, состоящая преимущественно из а-клеток.

Гормоны мозгового вещества надпочечников

В мозговом веществе надпочечников вырабатываются адреналин и норадреналин. Они образуются из аминокислоты тирозина (рис. 8).

Биохимические особенности адреналина и норадреналина

1. Наибольшая секреция адреналина наблюдается при стрессе и физической нагрузке

2. На адреналин и норадреналин организм реагирует очень быстро.

3. Адреналин и норадреналин готовят организм к выполнению быстрой и интенсивной работы.

4. Адреналин может действовать через в- и через а-рецепторы. Норадреналин действует в основном на а-рецепторы.

5. Мозговое вещество надпочечников секретирует в кровь как адреналин, так и норадреналин. Вне мозгового вещества надпочечников адреналин нигде не образуется. Норадреналин образуется еще в окончаниях симпатических нервов (является медиатором симпатической нервной системы).

В норме только очень небольшая часть адреналина выделяется с мочой (1–5 %). Это количество столь мало, что не обнаруживается обычными лабораторными методами, поэтому считается, что в норме адреналин в моче отсутствует.

Распад адреналина и норадреналина происходит в печени (рис. 9. . При этом образуются метоксинорадреналин глюкуронид и метоксиадреналин глюкуронид, составляющие 30 % от всех продуктов распада адреналина и норадреналина, а остальное количество приходится на ванилилминдальную кислоту (ВМК), которая используется для диагностики.

Главные ткани-мишени для адреналина – печень, мышцы, жировая ткань и сердечно-сосудистая система.

В печени гормон увеличивает распад гликогена до глюкозы и повышает её концентрацию в крови.

В мышцах адреналин является стимулятором распада гликогена до глюкозо-6-фосфата, который не может выйти из клетки в кровь, а утилизируется по пути гликолиза с образованием молочной кислоты. Таким образом, в отличие от печени, при распаде гликогена в мышцах никогда не образуется свободная глюкоза.

В жировой ткани гормон увеличивает распад жира до жирных кислот, что сопровождается повышением их концентрации в крови.

Действие адреналина на сердечно-сосудистую систему проявляется в том, что он увеличивает силу и частоту сердечных сокращений, повышает артериальное давление, сужает артериолы кожи, слизистых оболочек и приносящие артериолы клубочков почек (поэтому при стрессе наблюдаются бледность и анурия – прекращение образования мочи), но расширяет сосуды сердца, мышц и внутренних органов. Действуя через систему кровообращения, адреналин затрагивает практически все функции всех органов, в результате чего мобилизуются силы организма для противодействия стрессовым ситуациям.

Кроме указанных эффектов, адреналин расслабляет гладкую мускулатуру бронхов, кишечника, тела мочевого пузыря, но сокращает сфинктеры желудочно-кишечного тракта, мочевого пузыря, мышцы, поднимающие волосы на коже, расширяет зрачок.

Патология

Состояния, связанные с гипофункцией мозгового вещества надпочечников, не описаны. Гиперфункция этой структуры возникает при опухоли феохромоцитоме. Содержание адреналина в крови увеличивается в 500 и более раз. Наблюдается повышение артериального давления, в крови резко увеличивается концентрация жирных кислот и глюкозы. В моче появляется адреналин и глюкоза (в норме в моче они не определяются обычными методами), значительно увеличивается содержание ВМК.

Гормоны коры надпочечников

В коре надпочечников образуются из холестерина стероидные гормоны:кортикостероиды (глюкокортикоиды и минералокортикоиды) и половые гомоны (женские и мужские).

Биохимические особенности коры надпочечников

В расчете на 1 грамм ткани кора надпочечников занимает второе место в организме после головного мозга по содержанию холестерина и первое место – по содержанию аскорбиновой кислоты (витамина С), необходимой для превращения холестерина в стероидные гормоны.

Распад стероидных гормонов

Обезвреживание стероидных гормонов происходит в печени двумя путями.

1. Около 90 % стероидных гормонов сначала восстанавливается, затем конъюгирует с глюкуроновой кислотой и легко экскретируется с мочой.

2. У 10 % глюкокортикоидов, минералокортикоидов и мужских (но не женских) половых гормонов происходит отщепление боковой цепи у 17-го углеродного атома и его окисление с образованием кетогруппы, в результате чего образуются 17-кетостероиды (17-КС), которые также выделяются с мочой в связанном с глюкуроновой кислотой виде. Таким образом, 17-КС – это не гормоны, а продукты распада гормонов: глюкокортикоидов, минералокортикоидов и мужских (но не женских) половых гормонов.

Глюкокортикоиды

Представителями глюкокортикоидов являются гидрокортизон (кортизол, рис. 10. , кортизон и кортикостерон.

Ткани-мишени для этой группы гормонов: печень, мышцы, жировая, лимфоидная и соединительная ткани. Причем в печени глюкокортикоиды повышают проницаемость мембран для транспорта веществ в клетку и активируют анаболические процессы (то есть синтез веществ), а в остальных тканях – понижают проницаемость мембран и стимулируют катаболизм (то есть распад веществ).

Действие глюкокортикоидов на метаболизм

Углеводный обмен. Во всех тканях-мишенях глюкокортикоиды тормозят гликолиз. В печени гормоны усиливают глюконеогенез и синтез гликогена, в остальных тканях – уменьшают транспорт глюкозы в клетку, в мышцах – снижают синтез гликогена.

При избытке глюкокортикоидов (применение их для лечения в больших дозах или длительно, а также повышенное образование глюкокортикоидов в организме) развивается гипергликемия вследствие активации глюконеогенеза в печени и понижения утилизации глюкозы в периферических тканях. Длительная гипергликемия может привести к срыву инсулярного аппарата поджелудочной железы и развитию стероидного диабета.?

Липидный обмен. В печени глюкокортикоиды повышают синтез триглицеридов, липопротеинов очень низкой плотности (ЛПОНП) и кетоновых тел. В жировой ткани гормоны увеличивают распад жира на конечностях, но усиливают отложение жира на туловище и лице. Поэтому при избытке глюкокортикоидов наблюдается так называемое паукообразное ожирение и повышение уровня кетоновых тел в крови.

Белковый обмен. В печени глюкокортикоиды увеличивают синтез белка, в остальных тканях – снижают синтез и стимулируют распад тканевых белков. В связи с этим при избытке глюкокортикоидов наблюдаются замедление заживления ран, атрофия и слабость мышц, в костях – остеопороз (разрежение кости, что сопровождается легко возникающими переломами, например, компрессионными переломами позвонков и длинных костей уже при минимальной травме).

В лимфоидной ткани избыток глюкокортикоидов приводит к угнетению синтеза антител и уменьшению образования лимфоцитов, поэтому при стрессе (когда вырабатывается много глюкокортикоидов) снижается иммунная защита организма и повышается восприимчивость к инфекционным заболеваниям. Указанный механизм действия глюкокортикоидов на лимфоидную ткань лежит в основе их применения при лечении аллергии и при трансплантации для подавления реакции отторжения пересаженного органа.

Системное действие глюкокортикоидов

1. Глюкокортикоиды усиливают секрецию HCl в желудке. Механизм их действия обусловлен тем, что глюкокортикоиды тормозят синтез простагландинов, которые снижают секрецию HCl, поэтому при избытке глюкокортикоидов в организме могут развиваться стероидные язвы желудка.

2. Глюкокортикоиды обладают противовоспалительным действием. Они воздействуют на все стадии воспалительного процесса, но особенно сильно снижают проницаемость мембран и ингибируют синтез простагландинов, которые являются тканевыми факторами воспаления, поэтому применение глюкокортикоидов возможно для лечения воспалений.

3. Глюкокортикоиды снижают повышенную реактивность организма, т.е. гиперчувствительность, поэтому используются при лечении аллергии, и, в частности, анафилактического шока.

4. Глюкокортикоиды повышают устойчивость организма к повреждающим факторам (травмы, инфекции, интоксикации, боль, холод, физическая нагрузка, тяжелые психические потрясения).

5. Глюкокортикоиды оказывают пермиссивное действие на организм, т.е. усиливают действие других гормонов.

Минералокортикоиды

Представителями минералокортикоидов являются альдостерон (рис. 11) и дезоксикортикостерон. Они регулируют обмен натрия,

Главной тканью-мишенью для действия гормонов является эпителий дистальных канальцев почек, где альдостерон увеличивает реабсорбцию натрия из мочи в кровь. Поэтому альдостерон называют натрийзадерживающим гормоном. Поскольку натрий «тянет» за собой воду, то при избытке минералокортикоидов в организме повышается артериальное давление, усиливаются отеки и воспалительные процессы.

Одновременно с увеличением реабсорбции натрия под действием альдостерона возрастает экскреция калия с мочой. Поэтому при избытке гормона в организме снижается концентрация калия в крови, что приводит к повышению возбудимости миокарда, нарушению работы сердца, возникают сильная слабость, характерные изменения на ЭКГ, и может развиться сердечная недостаточность.

Другой тканью-мишенью для минералокортикоидов являются потовые железы. В жару альдостерон препятствует чрезмерной потере натрия с потом.

При недостаточном синтезе альдостерона натрий теряется с мочой, что приводит к потере воды, т.е. дегидратации организма.

Глюкокортикоиды обладают частичным действием минералокортикоидов, поэтому при длительном применении с лечебной целью глюкокортикоидов больным обязательно назначают препараты калия.

Нарушения гормональной функции коры надпочечников

Гиперфункция коры надпочечников, или гиперкортицизм, может проявляться либо повышенной секрецией всех групп гормонов, либо преимущественно одной из групп гормонов. В последнем случае выделяют 3 вида гиперкортицизма.

1. Синдром Иценко-Кушинга (опухоль пучковой зоны коры надпочечников, синтезирующая, главным образом, кортизол) и болезнь Иценко-Кушинга (неопухолевая гиперплазия, то есть разрастание, коры надпочечников под влиянием избыточной секреции кортикотропина гипофизом).

2. Первичный альдостеронизм, или болезнь Конна – избыточное образование минералокортикоидов в организме (в клубочковой зоне коры надпочечников).

3. Адреналовый вирилизм, или адреногенитальный синдром – сопровождается гиперсекрецией мужских половых гормонов в сетчатой зоне коры надпочечников. При этом у женщин наблюдается появление мужских признаков, у мужчин – усиление мужских признаков, у детей – преждевременное половое созревание.

Гипокортицизм, называемый Аддисоновой, или бронзовой болезнью, сопровождается дефицитом глюко- и минералокортикоидов и смешанными изменениями обмена веществ и функций организма. Причиной гипокортицизма может явиться туберкулёз или атрофия коры надпочечников. Недостаточное образование кортикостероидов приводит к сильной слабости, утомляемости, снижению артериального давления, наблюдаются пигментации кожи, тяга к соленой пище, высокая чувствительность к стрессам и инфекциям, непереносимость голода из-за выраженной гипогликемии. В крови снижается концентрация натрия и увеличивается концентрация калия.

Гормоны половых желёз

Женские половые гормоны

Женские половые гормоны представлены эстрогенами и прогестинами (гестагенами).

К эстрогенам относятся: эстрадиол (рис. 12) образуется в фолликулах яичников), эстриол (гормон плаценты) и эстрон (синтезируется в коре надпочечников). Представителем прогестинов является прогестерон, который вырабатывается в желтом теле яичников. Небольшое количество женских половых гормонов вырабатывается в организме мужчин.

Ткани, чувствительные к действию эстрогенов, делятся на 2 группы: половые органы и неполовые органы.

Действие женских половых гормонов на половые органы

В половых органах женские половые гормоны способствуют развитию и функционированию этих органов и формированию вторичных половых признаков в период полового созревания.

В матке увеличивается рост железистого эпителия эндометрия и гладкой мускулатуры миометрия, усиливается васкуляризация органа.

Во влагалище увеличивается число слоев клеток, что является диагностическим критерием действия эстрогенов на организм.

В молочной железе эстрогены стимулируют рост протоков, прогестерон – рост железистой ткани.

Действие женских половых гормонов на неполовые органы

В неполовых органах эстрогены оказывают также характерное действие.

ЦНС, гипоталамус, гипофиз – под влиянием гормонов происходит формирование типичного полового поведения, инстинкта, психики женщины.

Кости, хрящи, гортань – эстрогены способствуют формированию характерного «женского» типа скелета, гортани и голоса. Эстрогены ускоряют окостенение эпифизов, где находятся зоны роста кости, поэтому, если у девочки в период полового созревания образуется мало эстрогенов, замедляется окостенение эпифизов, и в этом случае девочка может иметь необычно высокий рост. У взрослых женщин при продолжительном введении эстрогенов или их избыточном образовании в организме происходит интенсивное обызвествление костей, и могут исчезать полости, в которых находится костный мозг, что приводит к развитию анемии.

Кожа – эстрогены способствуют росту волос по женскому типу, тормозят рост волос на коже, снижают секреторную активность сальных желез (понижают сальность кожи).

Печень – эстрогены стимулируют синтез специфических белков печени: ангиотензиногена, способствующего повышению артериального давления, и некоторых факторов свертывания крови (II, VII, IX, X). Поэтому при избытке эстрогенов в организме наблюдается склонность к гипертонии и тромбозам.

Кроме этого, эстрогены, воздействуя на печень, увеличивают образование в ней липопротеинов очень низкой плотности (ЛПОНП) и липопротеинов высокой плотности (ЛПВП). ЛПОНП на 50 % состоят из триглицеридов (нейтрального жира), из печени они через кровь доставляются в жировую ткань, где жир откладывается. Поэтому у женщин мышцы всегда покрыты слоем подкожного жира. ЛПВП уменьшают концентрацию холестерина в крови, способствуют его выведению из организма. Поэтому женщины реже, чем мужчины, заболевают атеросклерозом и инфарктом миокарда.

Жировая ткань – в ней эстрогены и прогестерон увеличивают синтез жира, тормозят его расщепление, способствуют формированию типично женских жировых отложений.

Почки – эстрогены способствуют задержке натрия в организме, прогестерон усиливает потерю натрия с мочой. Поскольку при беременности образуется много прогестерона, натрий усиленно теряется организмом, отсюда – тяга к соленой пище.

Мужские половые гормоны

Мужские половые гормоны (андрогены) представлены тестостероном (рис. 13. и андростероном. Они образуются в семенниках, коре надпочечников, предстательной железе. Небольшое количество андрогенов синтезируется у женщин в яичниках.

Как и женские половые гормоны, андрогены действуют не только на половые, но и на неполовые органы.

Действие мужских половых гормонов на половые органы

В половых органах мужские половые гормоны оказывают андрогенное действие, то есть способствуют развитию и функционированию этих органов и формированию вторичных половых признаков в период полового созревания.

Действие мужских половых гормонов на неполовые органы

В неполовых органах андрогены обладают генерализованным анаболическим действием, то есть стимулируют синтез нуклеиновых кислот, белка, задерживают в организме азот и кальций, усиливают синтез фосфолипидов мембран.

ЦНС, гипоталамус, гипофиз – под влиянием андрогенов происходит формирование типичного полового поведения, инстинкта и психики мужчины, то есть образуются поведенческие особенности мужского пола. Андрогены влияют на развитие мозга. Если во внутриутробном периоде в критические стадии развития и дифференцировки мозга развивается недостаточность андрогенов, то в будущем у этого юноши или мужчины могут возникнуть варианты половой ориентации. Избыток андрогенов в организме способствует агрессивности.

Кости, хрящи, гортань – андрогены способствуют формированию характерных физиологических особенностей мужского скелета, гортани, голоса, усиливают отложение фосфорно-кальциевых солей в эпифизарных зонах роста. Чрезмерная выработка гормонов может приводить к преждевременному заращению эпифизов и развитию низкорослости.

Мышцы – андрогены увеличивают мышечную массу и силу, создают характерную рельефность мышц.

Кожа – андрогены обладают стимулирующим действием на сальные железы, повышая сальность кожи, усиливают пигментацию кожи (солнечный загар), увеличивают рост волос на лице и теле, способствуют росту волос по мужскому типу. Избыток гормонов может привести к облысению.

Жировая ткань – андрогены ускоряют расщепление жира в жировой ткани, тормозят его синтез.

В печени и почках андрогены резко увеличивают синтез белка, в кроветворных органах усиливают эритропоэз.

Анаболические стероиды

На основе мужских половых гормонов синтезированы аналоги этих соединений – анаболические стероиды, обладающие максимальной анаболической активностью и минимальной – андрогенной. Первоначально анаболические стероиды широко применяли для откорма скота. Однако анаболические стероиды очень плохо метаболизируют в организме животных и не разрушаются при термической обработке пищи. Поэтому, попадая с мясом в организм человека, анаболические стероиды вызывали тяжелые поражения печени, в том числе опухоли, поскольку продукты превращения этих соединений являются канцерогенами.

В настоящее время применение анаболических стероидов в практике животноводства уменьшилось. Однако некоторые спортсмены продолжают применять этих средства для повышения спортивных результатов. Тем не менее, установлено, что даже относительно кратковременное (в течение 2 лет) применение анаболиков в возрастном периоде с 18 до 26 лет (кроме перечисленных опасностей для здоровья спортсмена) может привести у мужчин к ранней импотенции, а у женщин – к раку молочной железы.

Небольшие дозы анаболических стероидов применяют в лечебной практике у лиц после 35 лет при тяжелых травмах, инфаркте миокарда, после операций для ускорения заживления ран, увеличения массы тела и улучшения аппетита при истощении.

Центральная регуляция эндокринной системы

Гормоны оказывают многообразное биологическое действие на организм. Синтез самих гормонов и выделение их в кровь, в свою очередь, регулируются потребностями организма. О потребностях организма сообщают импульсы, идущие от рецепторов по афферентным нервным волокнам в ЦНС. Там информация перерабатывается, и по эфферентным нервным волокнам импульсы идут на периферию. Однако нервная регуляция не охватывает функции всех клеток организма, поэтому дополняется гормональной регуляцией. Местом, где соединяются нервная и гормональная регуляции, является гипоталамус.

Нервные импульсы, идущие из ЦНС, приводят к образованию в гипоталамусе коротких пептидов, которые называются либеринами и статинами. Эти пептиды синтезируются в очень небольшом количестве и по системе портального кровообращения гипофиза переносятся к его клеткам (аденогипофизу). Здесь под влиянием либеринов активируется, а под влиянием статинов тормозится синтез тропных гормонов гипофиза. Выделяясь в кровоток, тропные гормоны достигают периферических эндокринных желёз, и там способствуют синтезу и выделению в кровь гормонов, которые и оказывают своё биологическое действие.

Гормоны гипофиза

В передней и средней доле гипофиза (аденогипофиз) образуются тропные гормоны. Задняя доля гипофиза (нейрогипофиз) только секретирует гормоны (вазопрессин и окситоцин), которые синтезируются в ядрах гипоталамуса.

Передняя доля гипофиза

АКТГ – адренокортикотропный гормон, или кортикотропин. Действует, главным образом, на пучковую зону коры надпочечников, где образуются, в основном, глюкокортикоиды. Кроме того, АКТГ усиливает расщепление гликогена в печени и жиров – в жировой ткани.

ТТГ – тиреотропный гормон, или тиреотропин. Регулирует развитие и функционирование щитовидной железы, синтез и секрецию в кровь тиреоидных гормонов.

ГТГ – гонадотропные гормоны, или гонадотропины. К ним относятся фолликулостимулирующий гормон (ФСГ, или фоллитропин) и лютеинизирующий гормон (ЛГ, или лютропин). ФСГ вызывает созревание фолликулов в яичниках у женщин и сперматогенез у мужчин. ЛГ стимулирует у женщин секрецию эстрогенов и прогестерона, вызывает образование желтого тела в яичниках, а у мужчин – секрецию тестостерона.

ЛТГ – лактотропный гормон, или пролактин. Стимулирует развитие молочных желез и лактацию у женщин, способствует формированию родительских инстинктов; у мужчин снижает половую потенцию.

Липотропные гормоны (липотропины) – оказывают жиромобилизующее действие (увеличивают распад жира).

СТГ – соматотропный гормон, или соматотропин, иначе называется «гормон роста». Особенностью гормона является его сильно выраженная видовая специфичность. Это значит, что СТГ животных не действует на человека.

Стимуляторами секреции гормона являются:

1. сон, особенно в первые часы после засыпания (если ребёнок мало спит, он плохо растет);

2. холод (в целом, северяне выше южан);

3. стресс (если ребенка ограждать от нормальных повседневных стрессов, он будет отставать в росте);

4. физическая нагрузка (в целом, спортсмены выше лиц, избегающих регулярных физических нагрузок).

Ткани-мишени для СТГ – все клетки организма.

1. Анаболическое. В клетках СТГ увеличивает синтез ДНК, РНК и белка, стимулирует рост костей (остеогенез), хрящей (хондрогенез) и мягких тканей, регулирует процессы роста и развития скелета и всего организма, приводит к увеличению размеров тела. Хрящевая ткань эпифизов наиболее чувствительна к действию СТГ, за счет этого происходит рост трубчатых костей в длину.

2. Диабетогенное. В печени СТГ активирует глюконеогенез (через стимуляцию секреции глюкагона). В мышцах и жировой ткани СТГ уменьшает проницаемость мембран для транспорта аминокислот в клетку. При избытке СТГ повышается концентрация глюкозы в крови и развивается инсулинорезистентность периферических тканей, т.е. соматотропный диабет.

3. Липолитическое. У детей в период интенсивного роста отсутствуют жировые отложения, так как в жировой ткани СТГ усиливает распад жира до жирных кислот. Жирные кислоты поступают в кровь и утилизируются в тканях. При избытке СТГ в крови значительно увеличивается концентрация жирных кислот, и они усиленно используются печенью по 2 направлениям:

• на синтез жира (поэтому при избытке СТГ развивается жировое перерождение печени);

• на бета-окисление, в результате чего образуется ацетил-КоА, который используется на образование кетоновых тел; поэтому при избытке СТГ повышается концентрация кетоновых тел в крови.

Патология

При недостатке выработки СТГ (гипофизарная карликовость, или нанизм) отмечается пропорциональное недоразвитие всего тела, низкий рост, но, в отличие от кретинизма, нет признаков деформации скелета и умственной отсталости.

Гиперсекреция СТГ возникает при опухолях аденогипофиза. Если такое состояние развивается в детском возрасте, до завершения окостенения скелета, наблюдается гигантизм, признаками которого являются чрезмерный рост скелета и непропорционально длинные конечности. Если гиперсекреция СТГ возникает у взрослых, то есть после завершения роста скелета, наблюдается акромегалия. Это заболевание характеризуется непропорционально интенсивным ростом отдельных частей скелета (кистей, стоп, подбородка, надбровных дуг, носа), разрастанием мягких тканей лица (губ, носа, языка), а также увеличением желез внутренней секреции, что может сопровождаться их гиперфункцией.

Средняя доля гипофиза

МСГ – меланоцитостимулирующие гормоны, или меланотропины. Увеличивают количество пигментных клеток (меланоцитов) и стимулируют выработку пигмента меланина в коже, радужке и сетчатке глаза.

Задняя доля гипофиза

Окситоцин и вазопрессин лишь условно относят к гормонам задней доли гипофиза, поскольку они синтезируются в особых нейронах гипоталамуса (в супраоптическом и паравентрикулярном ядрах). По отросткам нейронов эти гормоны поступают в заднюю долю гипофиза, где депонируются и откуда непосредственно выделяются в кровь.

Окситоцин является стимулятором гладкой мускулатуры матки при родах.

Вазопрессин, или антидиуретический гормон, вызывает сокращение гладкой мускулатуры сосудов, что приводит к сужению сосудов и повышению артериального давления. Помимо этого, вазопрессин оказывает мощное антидиуретическое действие – стимулирует обратное всасывание (реабсорбцию) воды в почках и уменьшает объем выделяемой мочи. При атрофии задней доли гипофиза развивается несахарный диабет – заболевание, при котором наблюдается выделение чрезвычайно больших количеств жидкости с мочой (10 – 20 л в сутки).

Использование гормонов в медицине

Гормоны в медицине применяются, в основном, по следующим направлениям.

1. Заместительная терапия: гормоны как лекарственные препараты используются при гипофункции эндокринных желез.

2. Использование механизмов действия гормонов на биохимические процессы и функции.

Например, окситоцин используют для стимуляции родовой деятельности, адреналин – для повышения артериального давления, глюкокортикоиды – для лечения воспалений и как противоаллергическое средство, половые гормоны – для лечения некоторых гормональнозависимых опухолей (эстрогены – для лечения рака предстательной железы, андрогены – для лечения рака молочной железы).

3.Использование аналогов гормонов: на основе женских половых гормонов созданы пероральные контрацептивы (противозачаточные средства), на основе мужских половых гормонов созданы анаболические стероиды.

Простагландины и другие эйкозаноиды

Название эйкозаноиды происходит от эйкозатетраеновой (арахидоновой) кислоты, из которой эти соединения образуются. Эйкозаноиды называют гормоноподобными веществами, а также местными или тканевыми гормонами, потому что, в отличие от истинных гормонов, которые образуются в одних органах (эндокринных железах), а действуют в других (тканях-мишенях), эйкозаноиды действуют там же, где и синтезируются.

Синтез эйкозаноидов

Эйкозаноиды образуются из арахидоновой кислоты, которая отщепляется от фосфолипидов мембран под действием фосфолипазы А2. Арахидоновая кислота может превращаться по 2 путям (рис. 14. : циклооксигеназному, главным ферментом которого является циклооксигеназа (простагландинсинтетаза), и липоксигеназному, с участием липоксигеназы. В результате циклооксигеназного пути превращения арахидоновой кислоты образуются простагландины, простациклины и тромбоксаны. В липоксигеназном пути синтезируются лейкотриены. Ингибиторы указанных ферментов применяются для уменьшения синтеза эйкозаноидов в тканях.

Лейкотриены – участвуют в воспалении, аллергии, иммунитете, привлекают лейкоциты в очаг воспаления, сужают бронхи, увеличивают секрецию бронхиальной слизи.

Простациклины – расширяют сосуды, снижают артериальное давление, препятствуют агрегации (слипанию) тромбоцитов, тем самым препятствуют тромбозам.

Тромбоксаны – способствуют слипанию тромбоцитов, тем самым способствуют тромбозам. Сильнее всех соединений сужают сосуды. Соотношение простациклин / тромбоксан в стенке сосудов имеет большое значение в развитии тромбозов.

Простагландины

Простагландины синтезируются во всех клетках, кроме эритроцитов. Разрушаются простагландины в организме очень быстро (через 20 мин), и продукты их распада выводятся с мочой.

Общим для действия простагландинов является то, что они, в основном, усиливают действие других гормонов через стимуляцию деятельности эндокринных желёз (гипофиз, щитовидная железа, поджелудочная железа, надпочечники).

Вместе с тем, различают 2 класса простагландинов: простагландины Е (PG E), растворимые в эфире, и простагландины F (PG F), растворимые в фосфатном буфере. Каждый из классов делится на подклассы, обозначаемые индексом, например, PG E1, PG E2, и т.д., и буквами греческого алфавита, например, PG F2a.

Действие простагландинов Е

1. Тормозят распад жира и гликогена.

2. Являются тканевыми факторами воспаления: вырабатываются в большом количестве в очаге воспаления, увеличивают проницаемость сосудов и клеточных мембран при воспалении, расширяют капилляры. PG E являются сильными пирогенами (повышают температуру тела). Аспирин является ингибитором синтеза простагландинов, поэтому снижает температуру тела.

3. Вызывают пульсирующие головные боли, которые снимаются через 20 мин после приёма аспирина.

4. Расширяют сосуды, снижают артериальное давление, поэтому применяются при гипертонии.

5. Расширяют бронхи, поэтому применяются для лечения бронхиальной астмы.

6. Снижают секрецию HCl в желудке, препятствуют развитию язв, поэтому применяются при язве желудка. Аспирин и глюкокортикоиды уменьшают образование простагландинов, тормозящих секрецию HCl, поэтому длительное применение глюкокортикоидов или неправильный приём аспирина способствуют образованию язв.

7. В почках увеличивают выделение (объём) мочи и натрия.

Действие простагландинов F

1. Стимулируют перистальтику кишечника.

3. В матке стимулируют гладкую мускулатуру, поэтому применяются для прерывания беременности и как стимулятор родовой деятельности.

Источник статьи: http://www.sinref.ru/000_uchebniki/04600_raznie_2/158_Biohimiya-gormonov/000.htm

Глава 12. Биохимия гормонов

Гормоны (от греческого hormaino – побуждаю) – это биологически активные вещества, которые выделяются эндокринными клетками в кровь или лимфу и регулируют в клетках-мишенях биохимические и физиологические процессы.

В настоящее время предложено расширить определение гормонов: гормоны – это специализированные межклеточные регуляторы рецепторного действия.

В этом определении слова «специализированные регуляторы» подчеркивают, что регуляторная – главная функция гормонов; слово «межклеточные» означает, что гормоны вырабатываются одними клетками и извне действуют на другие клетки; рецепторное действие – первый этап в эффектах любого гормона.

Гормоны регулируют многие жизненные процессы – метаболизма, функции клеток и органов, матричные синтезы (транскрипцию, трансляцию) и другие процессы, определяемые геномом (пролиферацию, рост, дифференцировку, адаптацию, клеточный шок, апоптоз и др.)

Рис. 12.1. Схема взаимосвязи регуляторных систем организма.

Эндокринная система функционирует в тесной взаимосвязи с нервной системой как нейроэндокринная.

1. Синтез и секреция гормонов стимулируются внешними и внутренними сигналами, поступающими в ЦНС.

2–3. Эти сигналы по нейронам поступают в гипоталамус, где стимулируют синтез пептидных рилизинг-гормонов (либеринов и статинов), которые стимулируют или ингибируют синтез и секрецию гормонов передней доли гипофиза.

4–5. Гормоны передней доли гипофиза (тропные гормоны) стимулируют образование и секрецию гормонов периферических эндокринных желез, которые поступают в кровь и взаимодействуют с клетками-мишенями.

Уровень гормонов в крови поддерживается благодаря механизмам саморегуляции (регуляция по принципу обратной связи). Изменение концентрации метаболитов в клетках-мишенях подавляет синтез гормонов в эндокринной железе или в гипоталамусе (6, 7). Синтез и секреция тропных гормонов подавляется гормонами эндокринных желез (8).

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Строение биосинтез и биологическое действие гормонов

ДЖ. Ф. ХЭБИНЕР ( J . F . HABENER )

За прошедшие несколько десятилетий эндокринологи и специалисты в области клеточной биологии получили массу сведений о процессах, касающихся синтеза гормонов. Накопление этой новой информации было обязано сочетанию ряда факторов: 1 — применению радиоактивных изотопов для метки предшественников и промежуточных продуктов, образующихся в ходе различных путей биосинтеза; 2 — разработке более тонких и чувствительных методик анализа клеточных компонентов и 3 — усовершенствованию клеточных и бесклеточных систем, на которых проводят исследования биосинтеза в условиях in vitro . Помимо этого, непрерывное повышение разрешающей силы трансмиссионного электронного микроскопа в сочетании с разработкой чувствительных иммунохимических, цитохимических и авторадиографических методик выявления субклеточной локализации гормонов и вновь синтезируемых белков позволило получить сведения о точном местоположении синтетических реакций в клетке.

В этой главе рассматривается биосинтез гормонов пяти различных классов: полипептидных и белковых, тиреоидных, катехоламинов, стероидных гормонов надпочечников и стероидных гормонов — производных витамина D . В каждом разделе главы конкретно рассматривается один из этих классов гормонов и освещаются химическая структура гормонов и их интермедиатов, биохимические реакции, протекающие на каждом этапе биосинтеза, субклеточные органеллы, в которых протекают эти реакции и, где возможно, биохимические механизмы регуляции продукции и секреции гормонов.

Не претендуя на всеобъемлющий охват проблемы биосинтеза; и секреции гормонов, мы рассмотрим некоторые стороны путей биосинтеза различных гормонов с указанием на их сходства в различия в отдельных случаях. Не будут даже упомянуты процессы, которые должны встречаться в биосинтезе столь важного класса гормонально-активных соединений, каким являются гипоталамические рилизинг-факторы, поскольку до сих пор об этих процессах ничего не известно. Другим классом соединений, не рассматриваемым в этой главе, являются простагландины. Они обладают важными функциями в качестве местных гуморальных трансмиттеров и подробно анализируются в других обзорах.

Можно лишь удивляться, если не поражаться, столь очевидному разнообразию веществ, выполняющих функции гормонов. Сложность этих веществ колеблется от белковых структур до более простых производных аминокислот. Каждая группа гормонов должна была развиваться независимо от другой, хотя все они действуют вместе, интегрируя необходимые для жизни физиологические функции. При чтении этой главы следует обратить внимание на то, что наше понимание, по крайней мере в описательном смысле, химических структур и реакций, участвующих в. образовании гормонов, достаточно полно. Точно так же идентифицировано большинство субклеточных структур, в которых протекают многие из гормональных реакций. Однако, переходя к клеточным механизмам, принимающим участие в продукции в секреции гормонов и ответственным за регуляцию этих процессов, мы попадаем в область неизвестного. В настоящее время ведутся интенсивные исследования, направленные на выяснение-молекулярной и клеточной основы регуляции биосинтеза гормонов, в надежде на то, что наше невежество в этой области сменится, наконец, пониманием предмета.

БЕЛКОВЫЕ ГОРМОНЫ

Эндокринологи, изучающие биологические функции белковых ж меньших по размеру полипептидных гормонов (менее 100 аминокислотных остатков в цепи), все более интересуются деталями биосинтеза белков, стремясь понять, каким образом регуляция продукции в клетке секретируемого белкового гормона связана с его функцией. Данные исследований синтеза белковых гормонов и других секретируемых белков, полученные за последние несколько лет, показали, что этот процесс включает синтез предшественников, превосходящих размерами окончательные секретируемые молекулы и превращающихся в конечные клеточные продукты путем расщепления в ходе транслокации, протекающей в специализированных субклеточных органеллах секреторных клеток. Прежде чем более подробно описывать этапы биосинтеза полипептидных гормонов, целесообразно рассмотреть различные этапы биосинтеза белка вообще.

Рис. 3—1 Схема синтеза белка, демонстрирующая этапы переноса генетической информации от ДНК к РНК и белку. Схема специально предусматривает путь биосинтеза секретируемых белков, посттрансляционная модификация которых происходит в месте их синтеза в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме (ШЭР) ( Habener , Potts [4]).

ОБЩИЕ АСПЕКТЫ БИОСИНТЕЗА БЕЛКА

Процессы синтеза белка включают много сложных реакций, с помощью которых информация, исходно закодированная на полинуклеотидном «языке» гена (ДНК) в конце концов будет выражена полиаминокислотным «языком» конечного биологически активного белка. В целях обсуждения эти процессы можно разделить на четыре этапа (рис. 3—1).

1. Транскрипция. Синтез РНК в форме предшественников, обладающих большой молекулярной массой, на матрице ДНК.

2. Посттранскрипционная модификация. Контролируемая модификация РНК, включающая этапы образования мРНК из РНК-предшественника путем вырезания и нового объединения сегментов РНК, равно как и модификации 3-конца РНК за счет полиаденилирования и 5 -конца за счет добавления 7-метилгуанозиновых «колпачков».

3. Трансляция. Сборка аминокислот с помощью специфического взаимодействия антикодонов аминоацилированных тРНК,— «носителей» с соответствующими кодонами мРНК, связанной с полирибосомами, и, наконец, полимеризации аминокислот с образованием полипептидной цепи.

4. Посттрансляционная модификация. Одна реакция или их сочетание, включающее расщепление пептидных связей (превращение биосинтетических предшественников в промежуточные или окончательные формы белка путем протеолитического расщепления), образование аминокислотных производных. (гликозилирование, фосфорилирование) и складывание полученной полипептидной цепи с приданием ей нативной конфигурации.

Последний этап синтеза белка представляет особый интерес в силу того, что такие посттрансляционные модификации могут являться способом, которым клетка различает отдельные классы белков и направляет их в соответствующие области, где они оказывают свое действие [1].

Эта проблема (разделение белков по клеточным пространствам после синтеза) уже много лет привлекает внимание специалистов в области клеточной биологии. Установлено, что типичная эукариотическая клетка за определенное время в процессе цикла синтезирует около 50 000 различных белков [2]. Современные данные свидетельствуют о том, что это множество производимых клеткой различных белков синтезируется общим пулом полирибосом [3]. Каждый вид синтезированных белков направляется в специальное место, где проявляется его специфическая биологическая функция. Например, особые группы белков транспортируются в ядро и другие субклеточные органеллы, где они выполняют функции либо регуляторных белков, либо ферментов, либо структурных белков, участвующих в биогенезе различных органелл, тогда как другие группы белков синтезируются специально на экспорт из клетки (иммуноглобулины, факторы свертывания крови, сывороточный альбумин и белковые или пептидные гормоны). Понятно, что силы, принимающие участие в этом процессе направленного транспорта белков, должны определяться очень сложным сочетанием информационных сигналов. Другими словами, поскольку информация для этого процесса транслокации может заключаться только во всей, либо в части первичной структуры или в конформационных свойствах самого белка, то посттрансляционная модификация (см. рис. 3—1) может играть решающую роль в определении белковой функции. Как только вновь синтезированный белок высвобождается из комплекса мРНК — рибосома — образующаяся цепь, дальнейшая регуляторная роль РНК представляется совершенно невероятной.

Другая проблема, стоящая перед исследователями, работающими в области биосинтеза полипептидных гормонов, заключается в том, каким образом регулируются биосинтетические и секреторные процессы. Исследования регуляторных механизмов ведутся в двух направлениях: 1 — изучение природы клеточных механизмов, — участвующих в сопряжении внеклеточных регуляторных стимулов с внутриклеточными процессами, определяющими изменения образования и высвобождения гормонов; 2 — определение стадии синтеза белка, на которую направлена регуляция, т. е. выяснение происходит она на транскрипционном (и претрансляционном), трансляционном или посттрансляционном уровне.

Рис. 3—2. Типичные продуцирующие белковые гормоны эндокринные клетки, в которых видны субклеточные органеллы. а — Гипофизарный тиротроф (мышь); б — опухоль у мыши. состоящая из тиротропных клеток, сохраняемая путем серийных подкожных трансплантаций мышам с гипотиреозом: в — околощитовидная железа быка: Можно видеть (резко выраженный ШЭР и редкие секреторные гранулы в опухоли из тиротропных клеток (см. рис. 3—26) по сравнению с нормальным гипофизарным тиротрофом (см. рис. 3—2а).

Я — ядро: ШЭР — шероховатый эндоплазматический ретикулум; ПК — пластинчатый комплекс: М — митохондрия; ПМ — плазматическая мембрана; СГ — секреторная гранула; ИСТ незрелая секреторная гранула зсг — зрелая секреторная гранула. Электронная микрофотография Х10000.

СУБКЛЕТОЧНАЯ МОРФОЛОГИЯ КЛЕТОК, СЕКРЕТИРУЮЩИХ БЕЛКОВЫЕ ГОРМОНЫ

В значительной мере благодаря работам Palade и сотр. [3] было получено много сведений относительно морфологии путей используемых клеткой,. синтезирующей белки на экспорт. Некоторые субклеточные морфологические особенности свойственны различным белоксекретирующим клеткам. Такие клетки содержат множество окруженных мембранами органелл: эндоплазматический ретикулум, пластинчатые комплексы (аппараты Гольджи) и варьирующее число секреторных гранул (рис. 3—2, 3—3). Белки, предназначенные для секреции, попадают в эти субклеточные органеллы и транспортируются в них.

Рис. 3—3. Схема субклеточного транспорта и секреторного пути в белоксекретирующей клетке.

I — синтез белка на полирибосомах, прикрепленных к эндоплазматическому ретикулуму, и направленный выход через мембрану в цистернальное пространство: II— образование челночных пузырьков (переходные элементы) из эндоплазматического ретикулума, сменяемое их транспортом и включением в пластинчатый комплекс (ПК); III — образование секреторных гранул в ПК; IV — транспорт секреторных гранул к плазматической мембране, слияние с плазматической мембраной и экзопигоз, приводящий к выделению содержимого гранул во внеклеточное пространство. Можно видеть, что секреция способна осуществляться путем транспорта секреторных пузырьков, а также незрелых и зрелых гранул. Некоторые гранулы захватываются лизосомами и разрушаются (кринофагия). ШЭР — шероховатый эндоплазматический ретикулум; ГЭР — гладкий эндоплазматический ретикулум.

Секретируемые белки синтезируются на шероховатом эндоплазматическом ретикулуме (ШЭР), состоящем из полирибосом, прикрепленных к сложно устроенным мембранным мешочкам, содержащим цистерны. Вновь синтезированные белки быстро получают доступ в цистерны за счет транспорта через двойной слой липидов мембраны. По цистернам эндоплазматического ретикулума белки транспортируются в пластинчатый комплекс либо путем прямого переноса через цистерны, которые продолжаются в мембранные каналы пластинчатого комплекса, либо с помощью совершающих челночные движения пузырьков, называемых переходными элементами (см. рис. 3—3). Разные секреторные клетки, по-видимому, преимущественно используют тот или другой механизм транспорта белка из ШЭР в пластинчатый комплекс. В комплексе происходит упаковка белков в секреторные пузырьки и/или секреторные гранулы. Окруженные мембраной секреторные пузырьки отпочковываются от пластинчатого комплекса в виде незрелых гранул, подвергающихся по мере уплотнения белкового содержимого созреванию. Высвобождение белка во внеклеточное пространство происходит путем миграции секреторных гранул на периферию клетки и слияния мембраны, покрывающей гранулы, с плазматической мембраной (экзоцитоз), что и приводит к выходу белков из клетки.

Хотя это окончательно и не доказано, но некоторые биологи считают, что секреция белковых гормонов может происходить также путем внутриклеточного транспорта и высвобождения белков, содержащихся в секреторных пузырьках и незрелых секреторных гранулах (см. рис. 3—3) [3 L Если такие альтернативные-пути секреции действительно существуют в дополнение к механизму образования и экзоцитоза зрелых гранул, то возникает возможность того, что разные внеклеточные стимулирующие факторы отличаются друг от друга своей сравнительной эффективностью в отношении модуляции секреции гормона тем или иным путем. Например, можно было бы предположить, что секреция инсулина, вызываемая глюкозой, с одной стороны, и кальцием или b — адренергическими агонистами — с другой, осуществляется различными секреторными путями, или что часть секреции паратиреоидного гормона, не подавляемая повышенным уровнем внеклеточного кальция, высвобождается путем, морфологически отличающимся от кальцийчувствительного пути.

ПУТЬ БИОСИНТЕЗА

Значительный интерес вызвало открытие синтеза белковых и полипептидных гормонов в виде более крупных предшественников, которые затем путем расщепления модифицируются в более мелкие (рис. 3—4) [4]. На самом деле белковые и полипептидные гормоны составляют только один из многих классов белков, синтезируемых как предшественники. В качестве примеров белков. различных классов могут служить сывороточный альбумин, протеины яичного белка, антитела, коллаген, ферменты поджелудочной железы, вирусные и связанные с мембранами белки. Усилия исследователей в настоящее время сфокусированы на выяснении физиологической роли биосинтетических предшественников на пути образования гормонов, а также общего значения предшественников секретируемых белков.

Одна из вероятных функций последовательности предшественников видна на примере инсулина. С-пептид проинсулина — соединительный пептид, связывающий А- и В-цепи инсулина — принимает участие, по-видимому, в правильной сборке цепей, создавая возможность эффективного образования дисульфидных связей. Такая стабилизирующая функция должна иметь место только применительно к ограниченному числу секретируемых белков, таких, как инсулин, поскольку многие белки существуют в виде одиночных полипептидных цепей, лишенных дисульфидных мостиков.

Рис. 3—4. Неполный перечень пребелков различных структурных классов.

Стрелками показаны участки расщеплений, в результате чего предшественники превращаются в промежуточные или окончательные продукты. Не все предшественники для превращения в промежуточные формы пробелков проходят через стадию расщепления ( Habener , Potts [4]).

В настоящее время складываются представления в пользу вероятной роли предшественников в посттрансляционных процессах, обусловливающих внутриклеточный транспорт и компартментализацию гормонов по ходу секреторного пути [5, 6]. Эта гипотеза, известная под названием сигнальной, предложена Mistein и сотр. [5], а также Blobel и Sabatini [6] для объясневия молекулярного механизма, с помощью которого белки, предназначенные для секреции из клетки, избирательно получают доступ к окруженным мембранами субклеточным органеллам, участвующими в их транспорте, упаковке и секреции.

На основании модели, приведенной на рис. 3—5, можно объяснить путь биосинтеза паратиреоидного гормона как представителя полипептидных гормонов с учетом положений сигнальной гипотезы. Этот путь включает последовательное расщепление биосинтетических предшественников: препропаратиреоидный гормон (пре-про-ПТГ) ® пропаратиреоидный ® паратиреоидный гормон. Инициация синтеза белка происходит на полирибосомах в матриксе клетки. Инициальная аминокислота (аминокислоты) — метионин, кодируемая специфическим кодоном АУГ, отделяется от растущей полипептидной цепи, когда она достигает в длину примерно 20—30 аминокислот (примерная длина полипептида, покрывающая протяженность крупной рибосомальной субъединицы). Этот процесс считается общим для синтеза всех белков, продуцируемых эукариотами.

Рис. 3—5. Схематическое изображение пути биосинтеза паратиреоидного гормона.

КОПаза—карбоксипептидаза В ( Habener , Potts [4]),

Гидрофобная специфическая для прегормона последовательность пре-про-ПТГ, кодируемая последовательностью оснований мРНК, непосредственно прилегающей (3 -конец) к инициальному кодону АУГ (сигнальные кодоны), выступает затем в роли «водителя» или сигнала, который каким-то, до сих пор не выясненным, образом обеспечивает контакт комплекса полирибосома — синтезируемая цепь с мембраной эндоплазматического ретикулума. Контактируя с этой мембраной либо за счет чисто гидрофобных взаимодействий, либо, что вероятнее, за счет специфических рецепторов мембраны, растущая полипептидная цепь проходит через мембрану во внутрицистернальное пространство. Сразу же после этого или, вероятно, еще в процессе прохождения пре-про-ПТГ в цистерну сигнальная последовательность отщепляется, по-видимому, под действием специфической пептидазы, локализованный в эндоплазматическом ретикулуме, что приводит к образованию про-ПТГ. Этот промежуточный предшественник (про-ПТГ) движется затем по каналам, образованным мембранами эндоплазматического ретикулума, в пластинчатый комплекс, где от него под сочетанным действием ферментов, обладающих активностью, сходной с активностью трипсина и карбоксипептидазы В, отщепляется МНа-концевой гексапептид. Окончательный гормональный продукт включается в секреторные гранулы и высвобождается во внеклеточное пространство в ответ на снижение концентрации кальция во внеклеточной жидкости.

Правильность этой модели подтверждается многими данными» [7—11]. При структурном анализе первичных продуктов трансляции некоторых мРНК, кодирующих различные секретируемые белки, было обнаружено, что многие, если не все, белковые гормоны и секретируемые белки синтезируются вначале в виде предшественников с гидрофобными N1-12-концевыми участками (см. рис. 3—4). По-видимому, препропаратиреоидный гормон [12] является типичным представителем целого класса биосинтетических предшественников (пребелков) белковых гормонов, к которым относятся инсулин, СТГ, пролактин, ТТГ и АКТГ, а также негормональных секретируемых белков, таких, как ферменты поджелудочной железы, протеины яичного белка, иммуноглобулины, сывороточный альбумин, «мелиттин» (или меллитин — пчелиный яд) и некоторые ассоциированные с мембраной бактериальные белки. Характерным для сигнальных последовательностей предшественников является то, что они расположены на NH₂-концевой части белков. Эти последовательности различаются по длине, включая от 15 до 25 аминокислотных остатков; в центральных их частях содержится гидрофобный участок, состоящий из 10— 12 аминокислот. Столь высокая степень гидрофобности характерна для белков, известных своим специфическим взаимодействием с мембранами.

Приведенные данные позволяют считать, что обеспечение возможности движения через мембрану — основная функция сигнальной последовательности. Таким образом, благодаря специфическому характеру последовательности предшественника из множества клеточных белков отбираются, отделяются, транспортируются и поступают на секреторный конвейер клетки белки, предназначенные для секреции.

Если в отношении прегормонов или препрогормонов существуют веские доказательства их транспортной функции, то функция промежуточных предшественников—прогормонов—остается неизвестной. Радиоавтографические исследования миграции вновь синтезированных белков в клетке показали, что превращение прогормона в конечные продукты происходит в пластинчатом комплексе клетки. Например, период в 15 мин между началом сип-теза пре-про-ПТГ и первым появлением ПТГ практически совпадает со сроком, необходимым для попадания радиоавтографических гранул в пластинчатый комплекс [13]. Превращение прогормона в гормон может быть также избирательно заблокировано действием на ткани ингибиторов продукции энергии в клетке (антимицин А и динитрофенол), равно как и веществами, нарушающими функцию микротрубочек (винбластин и колхицин). Эти данные указывают на то, что транслокация прогормона из ШЭР в пластинчатый комплекс является энергозависимым процессом, и что в движении прогормона могут принимать участие микротрубочки. Однако отсутствуют прямые доказательства того, что прогормон сам по себе, или его химические взаимодействия, играет существенную роль в транспорте вновь синтезированного белка из ШЭР в пластинчатый комплекс или что он в какой-либо мере определяет упаковку гормона в пузырьки или гранулы. Недавно проведенные исследования, согласно которым синтез многих секретируемых белков не требует образования промежуточных, или проформ предшественников (см. рис. 3—4), порождают определенные сомнения в справедливости такого представления [4]. Непонятно, почему некоторые секретируемые белки, например паратиреоидный гормон, инсулин и сывороточный альбумин, образуются с помощью промежуточных предшественников, тогда как другие, например СТГ, пролактин и овальбумин, не проходят через эту стадию.

Если значение прогормона для клеточного транспорта не известно, то некоторые детали его расщепления уже изучены. В отличие от того, что наблюдается в отношении прегормонов, в которых аминокислотные остатки по месту отщепления сигнальной последовательности от остальной части молекулы (гормона или прогормона) в разных прегормонах неодинаковы (см. рис. 3—4 и 3—5), места расщепления пробелковых интермедиатов постоянно содержат основные аминокислоты лизин или аргинин (или и ту и другую), обычно по 2—3 вместе (см. рис. 3—4). Этот субстрат легко и предпочтительно атакуется эндопептидазами, обладающими трипсиноподобной активностью. После эндопептидазного расщепления оставшиеся основные аминокислоты подвергаются избирательному отщеплению под действием экзопептидаз с активностью, подобной активности карбоксипептидазы В.

Вполне вероятно, что все пробелки расщепляются в ходе общего ферментативного процесса внутри пластинчатого комплекса клеток различного происхождения. Однако роль этого общего процесса расщепления прогормонов, находящихся на секреторном конвейере, остается неизвестной, как и значение самого существования пробелковых интермедиатов некоторых, но не всех, секретируемых белков. Дальнейшее ферментативное расщепление пептида-предшественника, отделившегося от пропаратиреоидного гормона, может представлять собой один из этапов клеточной деградации этого пептида, или, что более вероятно, трипсиноподобная и карбоксипептидазо-В-подобная активности могут быть неразделимыми свойствами единого ферментного комплекса. Не исключено также, что части пептидов-предшественников, отщепляемые от пробелка, могут обладать пока не установленной собственной и самостоятельной биологической активностью, а их дальнейшее расщепление необходимо для проявления этой активности. Такая ситуация, вероятно, складывается в процессе образования АКТГ, b — липотропина и эндорфинов (опиатоподобные пептиды), которые одновременно появляются в результате расщепления общего крупного белкового предшественника [14].

Рис. 3—6, Особенности секреции различных белковых гормонов. Секреция в ответ на специфические внешние стимулы (а, б); циркадный ритм секреции (в, г); «спонтанная» секреция, предположительно возникающая под влиянием ЦНС (д, е) (в— Jubiz W . и соавт., J . Cim . Invest .» 1972, 51, 2040; r — Gallager T . F . и соавт., J . din . EndocrinoL Metab ., 1973, 36, 1058; д— Yen S . S . С. и соавт., J . din . EndocrinoL Metab ., 1972, 34, 671; е — Finkelstein J . W . и соавт., J . Clin . EndocrinoL Metab ., 1972, 35, 665).

СЕКРЕЦИЯ И РЕГУЛЯЦИЯ

Секреция белковых и полипептидных гормонов контролируется высокоспецифическими внеклеточными стимулами. В большинстве случаев такие стимулы представляют собой изменения уровня циркулирующих в крови веществ, что должно было бы привести к нарушению гомеостатического равновесия, а гормональные продукты, высвобождаемые вследствие этих изменений, действуют на соответственные органы-мишени, в результате чего восстанавливается гомеостаз (рис. 3—6). Например, повышение после приема пищи количества глюкозы в крови стимулирует секрецию инсулина, который в свою очередь стимулирует поглощение глюкозы мышцами, в связи с чем содержание глюкозы в крови нормализуется. Другим примером служит стимуляция высвобождения паратиреоидного гормона уже небольшим снижением уровня кальция в крови. Выделившийся при этом паратиреоидный гормон действует на свои органы-мишени — костную ткань и почки, способствуя обратному поступлению кальция во внеклеточную жидкость. Эти регуляторные процессы включают и ингибиторную петлю обратной связи, в силу которой продукты, вырабатываемые органами-мишенями и выделяемые в кровоток в ответ на действие гормонов, тормозят его дальнейшую секрецию. Например, снижение уровня глюкозы в крови тормозит дальнейшую секрецию инсулина, а увеличение содержания кальция в крови тормозит высвобождение паратиреоидного гормона. Большое число регуляторных петель обратной связи может действовать согласованно, что, например, наблюдается в отношении физиологической регуляции секреции различных гормонов передней долей гипофиза (рис. 3—7). В некоторых случаях точная природа стимула, участвующего в регуляции секреции гормона, выяснена недостаточно полно; эта неопределенность касается, например, «факторов», ответственных за «вспышки» секреторной активности, проявляемой передней долей гипофиза, и контролирующих элементов, управляющих циркадными или суточными ритмами.

Рис. 3—7. Регуляторные петли обратной связи в гипоталамо-гипофизарной системе. Такая регуляция может быть показана на примере любого из гипофизарных гормонов, в частности ТТГ, ЛГ, ФСГ, пролактина, СТГ.

Окончательные детали молекулярных процессов сопряжения внеклеточных стимулов с секрецией гормона и в конце концов с биосинтезом нового гормона, необходимого для восполнения его количества в железе, неизвестны. В известных же случаях эти процессы в разных клетках, секретирующих белковые гормоны, могут быть различными. Имеются, однако, данные о том, что в секреции многих гормонов может принимать участие общий механизм сопряжения. Этот механизм в качестве 2-го медиатора использует цАМФ (рис. 3—8). Согласно данной модели, стимулирующий фактор не проникает в клетку, а взаимодействует с рецептором, расположенным в структурах плазматической мембраны. Каким-то образом при связывании с рецептором плазматической мембраны стимулирующий фактор активирует аденилатциклазу, что приводит к образованию 3,5-цАМФ, который в свою очередь превращает неактивную форму фосфорилирующего фермента — протеинкиназы в активную форму путем отсоединения регуляторной субъединицы ( PC ) от активной каталитической субъединицы (КС).

Рис. 3—8. Предполагаемый механизм действия полипептидных гормонов на клетку-мишень. K С — каталитическая субъединица; PC — регуляторная субъединица. Объяснения »

Протеинкиназа (активная субъединица) катализирует фосфорилирование определенных внутриклеточных белков, причем считается, что образующиеся таким образом фосфорилированные белки играют роль в процессах транспорта и секреции гормона, вероятно, путем активации микротрубочек и/или слияния мембран секреторных гранул с плазматической мембраной. В настоящее время из-за отсутствия экспериментальных доказательств перечисленных процессов они остаются в высшей степени гипотетическими. Действительно, о характере процессов и сил, участвующих во внутриклеточном продвижении белков, известно крайне мало.

Следует отметить важную роль кальция в секреторном процессе. Потоки кальция из внеклеточной жидкости в клетку, равно как и его потоки из внутриклеточных органелл (например, митохондрий) в цитозоль, тесно сопряжены с секреторными процессами. При дефиците кальция во внеклеточной жидкости секреция значительно тормозится. Возможно, что вход кальция в клетку каким-то еще не изученным образом связан с активацией аденилатциклазы.

На секрецию белковых гормонов многими эндокринными органами влияют и катехоламины, действующие через адренергические рецепторы, связанные с рецепторами, реагирующими на главные стимулы. Считают, что эти адренергические эффекты служат модуляторами секреторной активности, находящейся в основном под контролем главных стимулирующих факторов.

С секреторными процессами должны быть каким-то образом связаны процессы биосинтеза. Синтез новых молекул гормона необходим для пополнения потраченных и, наоборот, при уменьшении потребности в секреции должен был бы тормозиться и синтез новых молекул гормона, чтобы предотвратить перегрузку им клетки. Мало известно о клеточных механизмах, сопрягающих секреторные процессы с процессами биосинтеза, т. е. не ясно, непосредственно влияют внеклеточные факторы, регулирующие скорость секреции, на скорость биосинтеза гормона, или сам по себе процесс секреции обеспечивает появление регуляторных сигналов, передающихся на отдельные этапы биосинтеза. Степень сопряжения секреторной и биосинтетической активности в конкретной эндокринной железе в большой мере может определяться относительной величиной накопления гормонов в железе. Железы, обладающие сравнительно большим количеством гормона, могут удовлетворять потребность в секреции более длительное время, чем железы с меньшими запасами его. Судя по главному морфологическому признаку секреторных клеток — присутствию секреторных гранул, все эндокринные клетки в той или иной степени обладают запасом гормонов. Вероятно, такие запасающие системы возникли с целью придания эндокринным секреторным клеткам свойства буфера или резервуара гормона, который может быть мобилизован на удовлетворение секреторных потребностей в течение очень короткого времени, без включения механизмов острого изменения скорости биосинтеза гормона.

Конкретный этап (или этапы) процесса биосинтеза гормона, на котором осуществляется регуляция этого процесса, в настоящее время не известен. Согласно существующим представлениям (см. рис. 3—1), регуляция могла бы происходить на одном или нескольких уровнях; помимо синтеза ДНК (рост и деление клеток), эти уровни включают: 1—транскрипцию; 2—посттранскрипционные процессы; 3 — трансляцию; 4 — посттрансляционные процессы. Клеточный и молекулярный уровни регуляции биосинтеза большинства белковых гормонов идентифицированы далеко не в той степени, которая позволила бы сделать определенные заключения. Однако имеющиеся ограниченные сведения, касающиеся, например, биосинтеза паратиреоидного гормона, свидетельствуют о том, что главные объекты регуляторных влияний в ответ на изменение содержания кальция в крови локализуются на уровне деления клеток и/или транскрипционном этапе. Стимуляция железы в условиях снижения содержания кальция приводит, очевидно, к увеличению синтеза РНК и в конце концов к гиперплазии железы. В околощитовидной железе функционирует и 3-й регуляторный механизм на посттрансляционном уровне: изменение внутриклеточного кругоооборота гормона. Таким образом, до сих пор нет достаточно четких и убедительных данных, которые свидетельствовали бы о том, что внеклеточные стимулы могут быть ответственными за изменение скорости расщепления биосинтетических предшественников или скорости инициации и трансляции мРНК, кодирующих гормоны.

ТИРЕОИДНЫЕ ГОРМОНЫ

Клеточные и молекулярные механизмы, используемые щитовидной железой для биосинтеза, накопления и секреции тиреоидных гормонов в течение прошлых 3—4 десятилетий, изучены достаточно полно благодаря объединенным усилиям большого числа исследователей. Подробности этих исследований содержатся в ряде исчерпывающих обзоров. Синтез тиреоидных гормонов во многих. отношениях сходен с синтезом полипептидных и белковых гормонов с добавлением нескольких уникальных этапов, особенно подходящих к метаболическим функциям щитовидной железы.

Основными тиреоидными гормонами являются йодтиронины — тетрайод-L-тиронин (тироксин, Т4) и 3,5,3-трийод-L-тиронин (трийодтиронин, Т3), которые образуются из йодированных тирозиновых предшественников. Они состоят из йодтирозина (моно — или дийодированного) и йодированного фенольного кольца, объединенных 4,1-эфиpнoй связью (рис. 3—9). Эти два йодтиронина вместе с йодтирозиновыми предшественниками составляют примерно 90% органического или белковосвязанного йода в щитовидной железе, причем на долю Т4 и Т3 приходится 99% секретируемого органического йода. Процессы образования и секреции тиреоидных гормонов включают несколько этапов, часть которых отличается своеобразием и характерна только для щитовидной железы.

Главными веществами, используемыми в синтезе тиреоидных гормонов, являются йод и тирозин. Щитовидная железа отличается высокоэффективным механизмом захвата йода из крови, а в качестве источника тирозина она синтезирует и использует крупный гликопротеин — тироглобулин. Если тирозин в организме содержится в большом количестве и поступает как из пищевых продуктов, так и из распадающихся эндогенных белков, то йод присутствует лишь в ограниченном количестве и поступает только из пищевых продуктов. Йод всасывается из кишечника в форме йодида и в этой форме циркулирует в крови в свободном (несвязанном) состоянии.

Йодид, захватываемый из крови тиреоидными (фолликулярными) клетками, и тироглобулин, синтезируемый в этих клетках, секретируются (путем экзоцитоза) во внеклеточное пространство внутри железы, называемое просветом фолликула или коллоидным пространством, окруженное фолликулярными клетками. В просвете фолликула или (что более вероятно) на апикальной поверхности клеток, обращенной в этот просвет, йодид окисляется в йод и другие окисленные продукты и ковалентно связывается фенольными кольцами тирозиновых остатков, содержащихся в полипептидном каркасе тироглобулина. Связывание йода с фенольным кольцом происходит либо только в 3-м положении, либо как в 3-м, так и в 5-м положениях, в результате чего образуются монойодтирозин (МИТ) и дийодтирозин (ДИТ) соответственно. Этот процесс йодирования тирозиновых остатков тироглобулина известен под названием этапа органификации в биосинтезе тиреоидных гормонов.

Рис. 3—9. Структура некоторых тиреоидных гормонов ( Ingbar S .Н., Woeber К. A . In : Textbook of Endo crinology / Ed . Williams R . H . Sth ed .— Philadelphia : Saunders , 1974).

Следующим этапом является конденсация йодтирозинов с образованием йодтиронинов. Все еще оставаясь в структуре тироглобулина, молекулы МИТ и ДИТ конденсируются, образуя трийодтиронин (Т3), и подобно этому две молекулы ДИТ конденсируются, образуя молекулу L-тироксина (Т4). В таком виде, т. е. связанные с тироглобулином, йодтиронины, равно как и непроконденсировавшие йодтирозины, хранятся в тиреоидном фолликуле. Этот комплекс йодированного тироглобулина часто называют коллоидом. Таким образом, тироглобулин, составляющий 10% от влажной массы щитовидной железы, служит белком-носителем, или предшественником накапливающихся гормонов.

Секреция тиреоидных гормонов — процесс, происходящий в ответ на метаболические потребности и опосредуемый действием тиротропного гормона (ТТГ) на тиреоидные клетки, — предполагает высвобождение гормонов из тироглобулина. Это происходит на апикальной мембране путем поглощения коллоида, содержащего тироглобулин (процесс, известный под названием эндоцитоза). Тироглобулин затем гидролизуется в клетке под влиянием протеаз, а высвобождаемые таким образом тиреоидные гормоны выделяются в циркулирующую кровь.

Рис. 3—10. Схематическое изображение пути биосинтеза тиреоидных гормонов в клетке. Т3 и Т4 образуются и хранятся связанными с тироглобулином в коллоиде.

ПК — пластинчатый комплекс: МИТ — монойодтирозин: ДИТ — дийодтирозин> ШЭР — шероховатый эндоплазматический ретикулум.

БИОСИНТЕЗ

Различные этапы биосинтеза и секреции тиреоидных гормонов L-трийодтиронина (Т3) и L-тироксина (Т4) следует рассмотреть отдельно и более подробно, подразделив их на следующие категории: 1 — биосинтез тироглобулина; 2 — захват йодида, 3 — органификация йодида; 4—конденсация; 5—поглощение клетками и протеолиз коллоида; 6 — секреция. Схематическое изображение различных этапов биосинтеза тероидных гормонов представлено на рис. 3—10.

Биосинтез тироглобулина

Тироглобулин представляет собой крупный гликопротеин с молекулярной массой примерно 670 000 (19 S ). Он состоит по меньшей мере из 4 субъединиц (из двух сходных пар разных субъединиц), связанных друг с другом комбинацией нековалентных и ковалентных.(дисульфидных) связей. Белковый комплекс содержит от 8 до 10% углеводов. Тироглобулин состоит примерно из 5900 аминокислотных остатков, около НО из которых—тирозиновые. Содержание йода в тироглобулине, полученном из интактных желез, колеблется от 0,2 до 1% и более. Тироглобулин синтезируется на полирибосомах, связанных с ШЭР (см. рис. 3—10). Субклеточный путь, по которому транспортируется вновь синтезированный тироглобулин, характерен для транспорта многих предназначенных к секреции белков. Вновь синтезированные полипептидные цепи направленно проникают через мембрану ретикулума во внутрицистернальное пространство ШЭР, по которому переносятся в пластинчатый комплекс и упаковываются в окруженные мембраной пузырьки, называемые апикальными пузырьками (см. рис. 3—10 и 3—11). Эти пузырьки транспортируются к апикальному краю клетки, где сливаются с мембраной, граничащей с фолликулярным, или коллоидным, пространством, и тироглобулин выбрасывается в это пространство [15, 16]. Именно на поверхности этой мембраны со стороны коллоида и йодируется тироглобулин (см. далее). Исследования с импульсной меткой и последующим ее разведением, проводимые на срезах щитовидной железы, инкубируемых с радиоактивными аминокислотами in vitro , показали, что процессы синтеза и транспорта тироглобулина (от момента начального синтеза до первого появления в коллоидном пространстве) занимают от 4 до 6 ч. Начальным продуктом синтеза является, по-видимому, субъединица с молекулярной массой около 160000 (3—8 S ). Предполагается, что разные субъединицы кодируются отдельными мРНК.

Рис. 3—11. Участок тиреоидной фолликулярной клетки. Вверху можно видеть микроворсинки ( MB ), тянущиеся от апикального края клетки в коллоид (Кол), в цитоплазме под краем—апикальные пузырьки (АП).

Плотное тельце, имеющее лизосомную (Л) природу; МТ — микротрубочки, MX — митохондрия Электронная микрофотография. х37 800 ( Haddad А и соавт., J . Cellp Biol ., 1971, 49, 856).

Затем субъединицы объединяются в димеры с молекулярной массой 320 000 (12S,) и образуют нейодированный тироглобулин (17 S ), который «созревает» во время и после йодирования в окончательный комплекс с молекулярной массой 667000 (19 S ). Последовательность такова: 4 субъединицы (по 3—8 S ) ® 2 субъединицы (по 12S) ® нейодированный («незрелый») тироглобулин (17S) ® йодированный («зрелый») тироглобулин (19S). Гликозилирование тироглобулина происходит на всех стадиях синтеза. Сердцевинный олигосахаридный комплекс присоединяется, вероятно, к отдельным аспарагиновым остаткам N-гликозидной связью и переносится с долихофосфатного носителя в ходе транспорта вновь образуемых цепей субъединиц через мембраны эндоплазматической сети. В процессе транспорта полипептида по цистернам эндоплазматического ретикулума в пластинчатый комплекс к олигосахаридным ядрам добавляются новые углеводные остатки. По всей вероятности, гликозилирование каким-то образом участвует в транспорте и сборке цепей субъединиц и необходимо для формирования полностью собранного тироглобулинового комплекса с его специфической трехмерной четвертичной структурой.

Захват йода

Важнейшим этапом биосинтеза тиреоидных гормонов является активный, контролируемый ферментами, транспорт йодида, содержащегося в крови, через мембрану тиреоидной клетки в цитозоль и из него в фолликулярный коллоид. В конечном счете обеспеченность организма йодом должна определяться пищевыми продуктами. Часть йода всасывается в органической форме и превращается в йодид в печени. Однако наибольшая его часть уже. всасывается в форме йодида и именно в этой форме разносится с кровью. Суточное потребление йодида с пищей в США составляет примерно 500 мкг. Из этого количества 120 мкг поглощается щитовидной железой и 60 мкг включается в тиреоидные гормоны и секретируется с Т4 и Т3. Поглощение и концентрирование йодида щитовидной железой обеспечивается двумя энергозависимыми контролируемыми ферментными «насосами», или механизмами захвата; один, расположенный на базальной, или капиллярной, мембране, извлекает йодид из крови и транспортирует его в цитозоль тиреоидной клетки, а второй, локализующийся на апикальной мембране, доставляет его в коллоидное пространство. Существует и конкурентный пассивный перенос йодида обратно в кровь, но «чистый» эффект сводится к концентрированию йодида в щитовидной железе. Эти насосы функционируют столь эффективно, что концентрация йодида в щитовидной железе не менее чем в 25 раз превышает его уровень в плазме крови, а в условиях дефицита йода концентрация йодида в железе может быть в 500 pa з выше, чем в плазме. Эффективность, с которой щитовидная железа концентрирует йодид, находится в обратной зависимости от уровня доступного йодида в плазме, и в условиях относительной йодной недостаточности железа извлекает до 20% йодида, присутствующего в крови. Извлеченный тиреоидной клеткой из крови йодид быстро уравновешивается в общем пространстве йодида, уже содержащегося в клетке, который образуется в результате распада и дейодирования йодаминокислот, высвобождающихся из-тироглобулина (см. далее), и быстро проникает в коллоидное-пространство, где связывается с тироглобулином. Этот концентрирующий и транспортный механизм работает так быстро, что отношение «свободного» йодида к органически связанному в щитовидной железе может составлять лишь 10:8000 мкг. Авторадиографические исследования показали, что уже через 30 с после импульсного внутривенного введения животному радиоактивного йодида практически вся метка обнаруживается в коллоидном пространстве, будучи органически связанной с тироглобулином [17]; только около 0,25% тиреоидного йода остается в форме свободного йодида, а остальная его часть связана с тироглобулином в форме йодаминокислот или йодтиронинов.

О необходимости столь легкого накопления йода в щитовидной железе свидетельствует тот факт, что для поддержания нормальной секреции гормонов эта железа должна каждые сутки накапливать от 50 до 75 мкг йодида, т. е. полностью экстрагировать йодид из 20—30% крови, протекающей через щитовидную железу в сутки, что составляет лишь небольшую часть резерва, необходимого на случай колебаний содержания йода в диете или возникновения чрезмерной потребности в тиреоидных гормонах. Сам организм, однако, способен в значительной мере компенсировать временный дефицит йодида путем повышения его канальцевой реабсорбции и всасывания в кишечнике.

Детали конструкции йодидных насосов выяснены не полностью» но, по всей вероятности, в них участвует Na + / K + -стимулируемая, Mg 2+ -зависимая оуабаинчувствительная АТФаза. Для накопления йодида необходимы и ионы кальция. Процесс концентрирования явно зависит от доступности клеточной энергии, поскольку разобщители окислительного фосфорилирования, такие, как 2,4-динитрофенол и бис-оксикумарин, являются эффективными ингибиторами накопления йода срезами щитовидной железы.

Щитовидная железа концентрирует не только йодид, но и некоторые другие анионы, которые могут действовать как конкурентные ингибиторы транспорта йодида. К таким ингибиторам относятся тиоцианат, перхлорат и пертехнетат. Перхлорат можно применять в клинике для того, чтобы вызвать быстрый выброс неорганического йодида, после определения количества которого можно получить представление о величине несвязанной фракции йодида в щитовидной железе. У больных с нарушенной органификацией йодида, например при врожденном дефиците ферментов или воздействии зобогенных факторов, блокирующих органификацию йодида, одна и та же доза перхлората будет высвобождать гораздо большую, чем в норме, часть дозы ранее введенного» йодида.

Органификация йодида

На апикальной мембране тероидной фолликулярной клетки илд вблизи нее йодид окисляется пероксидазными ферментами, что приводит к присоединению йода к фенольному кольцу тирозиновых остатков, содержащихся в структуре тироглобулина. Йодирование молекул тирозина происходит именно тогда, когда они являются частью полипептидного каркаса тироглобулина, а не до синтеза этого белка. Хотя некоторые авторы обнаруживали пероксидазную активность в митохондриях и пластинчатом комплексе, современные данные свидетельствуют в пользу той точки зрения, — что основное количество пероксидазы связано с микроворсинками апикальной мембраны и что процесс йодирования происходит на поверхности раздела мембрана — коллоид, а не внутри самой фолликулярной клетки [18]. Территориальное ограничение йодирования поверхностью раздела между клеткой и коллоидом обеспечивает щитовидную железу механизмом минимизации случайного йодирования внутриклеточных белков, не являющихся тироглобулином. В результате йодирования тироглобулин «созревает» и его константа седиментации увеличивается с 17 до 19 S . Относительное количество моно- и дийодтирозинов варьирует в зависимости от степени йодирования, которая в свою очередь зависит от доступности йода. В тироглобулине человека в норме йод распределен следующим образом: 20% в составе МИТ, 40% —ДИТ, 30% —Т4 и 2% —Т3. Эти величины свидетельствуют о том, что в большинстве случаев фенольные кольца содержат две молекулы йода. Можно отметить, что в исследованиях по химическому йодированию модельного вещества — N-ацетилтирозина in vitro было установлено в 30 раз более интенсивное монойодирование, чем дийодирование; поэтому, если бы тирозиновые группы тироглобулина вели себя подобно модельному соединению, то основная часть йода в тироглобулине должна была бы присутствовать в монойодтирозинах. Однако в тироглобулине, выделенном из щитовидных желез больных зобом, доля монойодированных веществ заметно превышает таковую дийодированных (см. далее). Содержание тирозина в тироглобулине отнюдь не уникально и сравнимо с его содержанием во многих других белках (примерно 1,8% всех аминокислот). Имеются данные, указывающие на то, что подвергаться йодированию могут лишь особые тирозиновые остатки в аминокислотной последовательности тироглобулина; предполагается, что тироксин (Т4) локализуется в уникальной последовательности: ала-сер-Т4-глю (или глн)-асп (или асн) [19]. По всей вероятности, в определении доступности отдельных тирозиновых остатков для йодирования важную роль играет вторичная и/или четвертичная структура молекулы тироглобулина. Вещества, относящиеся к классу тионамидов (метимазол, пропилтиоурацил) являются мощными ингибиторами этапа органификации йодида вследствие их тормозящего действия на пероксидазу щитовидной железы.

Конденсация йодаминокислот с образованием йодтиронинов

В течение нескольких часов после образования в тироглобулине йодтирозинов две молекулы дийодтирозина конденсируются, образуя молекулу тироксина, а одна молекула монойодтирозина, конденсируясь с одной молекулой дийодтирозина, образует молекулу трийодтиронина. Относительное содержание этих двух йодтиронинов в щитовидной железе зависит от количества йода в диете. У крыс при дефиците йода увеличено образование МИТ. по сравнению с ДИТ и образование Т3 по сравнению с Т4. С позиций целесообразности этот сдвиг синтеза с образования, обладающего меньшей биологической активностью Т4 на синтез более активного Т3, можно рассматривать как компенсаторный механизм, используемый железой для обеспечения синтеза гормона, обладающего большей биологической активностью в условиях ограниченного снабжения йодом.

Молекулярный механизм реакций конденсации точно не известен. Предложены как внутри-, так и межмолекулярные схемы процесса конденсации [20]. Внутримолекулярный механизм предполагает генерацию пероксидазой свободных дийодтирозильных радикалов в коллоиде. После того как два из подобных радикалов конденсируются, образуя хиноловый эфир, один из них расщепляется и возникающее вследствие этого дийодированное фёнольное кольцо переносится на 2-й хиноловый эфир, образуя в свою очередь молекулу тироксина, связанную с цепью тироглобулина. Межмолекулярная схема основана на роли пероксидазы в катализе окисления дийодоксифенилпировиноградной кислоты (ДЙОФПК) в гидроперекись ДЙОФПК. Последняя предположительно является активной формой, неферментативно конденсирующейся со свободным ДИТ, в результате чего образуется Т4. В обоих случаях роль тиреоидной пероксидазы в образовании Т4 и Т3 не ограничивается простым катализом йодирования тирозиновых остатков в молекуле тироглобулина.

СЕКРЕЦИЯ

Морфологический путь

Секреторные процессы в щитовидной железе возникают при действии ТТГ на рецепторы, расположенные на базальной мембране тиреоидных клеток. Схематическое изображение предполагаемых клеточных процессов, принимающих участие в секреции тироидных гормонов, приведено на рис. 3—12. Начальным моментом этих процессов должно служить высвобождение тиреоидных гормонов (Т4 и Т3) из коллоида, в котором они ковалентно связаны пептидными связями.

Рис. 3—12. Схематическое изображение секреторного пути в тиреоидной фолликулярной клетке. Йодированный тироглобулин резорбируется в цитоплазму в виде капель коллоида путем эндоцитоза последнего. Капли захватываются фаголизосомами, и тиреоидные гормоны высвобождаются в результате протеолиза тироглобулина. Из клетки во внеклеточную жидкость выделяются Т4 и Т3. Монойодтирозин (МИТ) и дийодтирозин (ДИТ) остаются в клетке и подвергаются дейодированию. Высвобождаемый при этом йодид поступает в общее йодидное пространство. Секреция начинается в ответ на стимуляцию рецепторов плазматической мембраны ТТГ. Считают, что ТТГ-рецепторная реакция опосредуется образованием цАМФ, играющего роль второго медиатора в процессе сопряжения стимула с клеточным ответом.

Исследования, проведенные с помощью высокоразрешающей авторадиографии на электронно-микроскопическом уровне, выявили морфологию путей гормональной секреции в клетке [17]. Исходные процессы включают поглощение, или эндоцитоз, глыбок коллоида, содержащего тироглобулин, микроворсинками апикальной мембраны. Коллоид в виде окруженных мембраной капелек переносится в цитозоль тиреоидной клетки. Считается, что коллоидные капельки затем фагоцитируются лизосомами, содержащими протеолитические ферменты. В результате гидролиза тироглобулина образуются свободные йодтирозины — МИТ и ДИТ, а также йодтиронины — Т3 и Т4. На этой стадии в клетке происходит любопытный избирательный процесс: йодтиронины избирательно секретируются из клетки в кровь, тогда как йодаминокислоты дейодируются ферментами, а высвобождаемый при этом йодид поступает в общее йодидное пространство железы и эффективно реутилизируется в синтезе нового тироглобулина. Только около 10% высвобождаемого йодида поступает в кровь. Йодтиронины также подвергаются дейодированию, но в нормальных. условиях функционирования щитовидной железы это происходит лишь в небольшой степени. Часть Т4 дейодируется в Т3, причем этот процесс ускоряется в условиях дефицита йодида (см. далее).

Лизосомное переваривание коллоидных капель протекает быстро, и свободный гормон, меченный радиоактивным йодом, поступает в кровь уже через несколько минут после появления первых капель коллоида в верхней части клетки. Существуют данные, что в разных фолликулах движение гормона происходит с разной скоростью. Хотя основной процесс эндоцитоза и расщепления тироглобулина в фаголизосомах, по-видимому, одинаков во всех отделах щитовидной железы, но между фолликулами существует функциональная гетерогенность. Тироглобулин, синтезированный в ближайшие к секреции сроки, движется быстрее, чем более «старый» тироглобулин. Это составляет сущность так называемой гипотезы «новый—в первую очередь» [21]. Одной из причин этого служит, по-видимому, тот факт, что по мере созревания тироглобулина он становится более резистентным к протеолизу, вероятно, в результате «уплотнения» четвертичной структуры молекулы и труднее поддается секреторным процессам, чем позднее синтезированный тироглобулин.

Регуляция секреции

Наиболее мощным стимулятором секреции и синтеза тиреоидных гормонов, по своему эффекту намного превосходящим другие стимуляторы, является ТТГ (см. рис. 3—7). В некоторых случаях гиперфункции щитовидной железы (болезнь Грейвса) в роли сильных ее стимуляторов выступают и тиреоидстимулирующие иммуноглобулины, например длительно действующий тиреоидный стимулятор (ДДТС), причем считается, что их действие опосредовано клеточными механизмами, весьма близкими, если не идентичными, тем, которые опосредуют эффекты ТТГ. Показано, что на секрецию тиреоидных гормонов влияют и различные агенты, в норме присутствующие в организме или в щитовидной железе, такие, как простагландины и катехоламины, но эти факторы имеют меньшее значение, чем ТТГ.

Как уже упоминалось, уровень ТТГ в крови зависит от уровня в циркуляции тиреоидных гормонов, особенно Т3, действующего с составе петли отрицательной обратной связи на гипоталамо-гипофизарную ось и регулирующего секрецию ТТГ (см. рис. 3—7). На мембране тиреоидных клеток ТТГ связывается с рецепторами я запускает сложную серию реакций, в том числе активацию аденилатциклазы, что в конце концов приводит к выделению тиреоидных гормонов из клетки. После введения ТТГ секреция гормонов начинается очень быстро, причем она и быстро прекращается после отмены ТТГ.

Реакции щитовидной железы на введение ТТГ. Самыми ранними реакциями, наблюдаемыми в пределах 5 мин после введения животным ТТГ, являются повышение активности аденилатциклазы, усиление йодирования тироглобулина и образования внутриклеточных Т3 и Т4, а также ускорение образования коллоидных капель [22]. Секреция тиреоидных гормонов начинается на 5—10 мин позднее. Интактная или стимулированная в минимальной степени щитовидная железа содержит очень мало коллоидных капель, и основная масса секретируемых под влиянием ТТГ гормонов образуется, очевидно, из фолликулярных запасов тироглобулина. Таким образом, перенос тироглобулина из коллоидного пространства в клеточный матрикс и его протеолиз с высвобождением Т4 и Т3 являются относительно быстрыми процессами. В более поздние сроки (через несколько часов) после введения ТТГ наблюдают увеличение различных параметров клеточного метаболизма, например повышение обмена глюкозы и синтеза фосфолипидов, РНК и белка. Через 48 ч повышается также синтез ДНК и начинается митоз клеток. Ближайшие эффекты ТТГ на метаболизм йодида несколько неожиданны, поскольку вначале между 0 и 4 ч, наблюдается торможение захвата йодида клетками, вслед за чем наступает медленное усиление его [22].

По всей вероятности, большинство, если не все, влияния ТТГ на тиреоидную клетку опосредуются через цАМФ, выступающий в роли 2-го медиатора. Как in vivo , так и in vitro активация аденилатциклазы и образование цАМФ являются одними из наиболее ранних реакций на введение ТТГ. Больше того, все известные метаболические и клеточные реакции, вызываемые ТТГ, можно воспроизвести в экспериментальных системах с помощью цАМФ или его аналога дибутил-цАМФ. Химические и структурные особенности рецептора ТТГ, равно как и клеточные механизмы, с помощью которых ТТГ-рецепторное взаимодействие сопряжено с активацией аденилатциклазы, а также способ, которым эта активация и образующийся в ее результате цАМФ приводят к изменению показателей клеточной активности и биосинтезу и секреции тиреоидных гормонов, все еще выяснены не до конца.

Ауторегуляторные эффекты йодида.

Поскольку йод является важной составной частью тиреоидных гормонов, количество этого элемента во внеклеточной жидкости имеет большое значение для гомеостатической регуляции тиреоидной секреции. Недостаточность йода сопровождается повышением эффективности экстракции йодида из крови щитовидной железой и сдвигом отношения синтезируемых и секретируемых Т3 и Т4, что снижает потребности в йоде за счет оптимизации его использования и повышения его активности, приходящейся на молекулу Т3. Инициация этих изменений зависит от снижения концентрации тиреоидных гормонов в крови. Это стимулирует секрецию ТТГ, мобилизацию запасов йода в щитовидной железе и увеличивает соотношение Т3/Т4, синтезируемых в матриксе тироглобулина. Одновременно ускоряется кровоток через щитовидную железу, развивается ее гипертрофия и повышается эффективность экстракции йодида. Происходит также существенное ускорение внутритиреоидного дейодирования свободного Т4 с образованием Т3, что еще больше увеличивает секрецию Т3. Эти изменения зависят не только от повышения секреции ТТГ. Существует и интратиреоидный ауторегуляторный механизм, который каким-то образом контролируется общей концентрацией йода в щитовидной железе [23]. Этот автономный механизм поддерживает повышенный уровень активности некоторых из перечисленных процессов даже в отсутствие ТТГ, если снабжение организма йодом не восстановилось.

Избыток йодида ингибирует синтез и секрецию тиреоидных гормонов. С телеологических позиций такое ингибирование под. влиянием избытка йодида физиологически оправдано. Если бы все увеличенное количество йодида использовалось в биосинтеза тиреоидных гормонов, то это могло бы обусловить избыточную их продукцию и привести к тяжелому гипертиреозу. Выявлено несколько механизмов адаптации к избытку йодида: 1 — острое, хотя обычно и преходящее, торможение органического связывания? йода (эффект Вольфа—Чайкова) [24]; 2—снижение эффективности экстракции йодида из крови; 3 — ингибирование секреций гормонов при чрезмерной стимуляции щитовидной железы. Имеющиеся в настоящее время данные свидетельствуют о том, что при нормальной активности щитовидной железы йодид не угнетает секрецию в заметной степени, но в чрезмерно стимулированных железах он оказывает тормозящее действие [25]. Эта концепция подтверждается отсутствием гипотиреоза у большого; числа больных с хроническими легочными заболеваниями, получающих с лечебной целью массивные дозы йодида. Развитие гипотиреоза у некоторых больных при подобном лечении является вероятно, результатом персистирования эффекта Вольфа — Чайкова, а не первичного снижения скорости тиреоидной секреции.

Механизм, с помощью которого избыток йодида тормозит эти функции щитовидной железы, не известен. Отчасти, вероятно, действие йодида направлено на подавление некоторых процессов тиреоидной секреции, которые стимулируются ТТГ и ДДТС. Известно, что йодид угнетает секрецию тиреоидных гормонов у больных с гипертиреозом, сопровождающим болезнь Грейвса [25], которая, возможно, обусловлена ДДТС, или у больных с автономной гиперфункцией одиночных узлов щитовидной железы (когда снижен уровень как ТТГ, так и ДДТС) [26]. Общим для обоих случаев фактором является гиперактивность тиреоидной ткани. Подобно этому большие дозы йодида могут тормозить секрецию тиреоидных гормонов нормальной щитовидной железой, стимулируемой умеренными дозами экзогенного ТТГ. Вызванное йодидом угнетение секреции у больных с тиреотоксикозом или у эутиреоидных лиц, получающих малые дозы ТТГ, удается быстро ликвидировать назначением больших доз ТТГ, несмотря на продолжающееся введение йодида. Имеются некоторые данные о том, что ингибиторный эффект йодида на тиреоидную секрецию локализуется на какой-то стадии после образования коллоидных капель.

Если в нормальных физиологических условиях избыток йодида и не угнетает секрецию самих тиреоидных гормонов, то он все же влияет на секрецию йодида, образующегося в щитовидной железе при дейодировании йодаминокислот, высвобождающихся внутри железы вследствие протеолиза в процессе секреции. В норме большая часть этого йодида реутилизируется щитовидной железой в основном с помощью йодидного насоса на базальной мембране клеток, задерживающего анион внутри железы. Массивные дозы йодида насыщают емкость этого насоса, вследствие чего йодид, образующийся внутри железы, покидает ее [27]. Этот процесс не должен создавать физиологического преимущества, поскольку, если только органическое связывание йода, необходимое. для синтеза гормонов, не будет подавлено другими механизмами, процесс органификации все же будет обеспечен избытком субстрата.

КАТЕХОЛАМИНЫ

Катехоламины представляют собой дигидроксилированные фенольные амины и включают дофамин, адреналин и норадреналин. Эти соединения продуцируются только в нервной ткани и в тканях, происходящих из нервной цепочки, таких, как мозговой слой надпочечника и органы Цукеркандля. Норадреналин обнаруживается главным образом в симпатических нейронах периферической и центральной нервной системы и действует местно как нейротрансмиттер на эффекторные клетки гладких мышц сосудов, мозга, сердца и печени. Адреналин продуцируется в основном мозговым слоем надпочечников, откуда поступает в кровоток и действует как гормон на отдаленные органы-мишени. Дофамин выполняет две функции: он служит биосинтетическим предшественником адреналина и норадреналина и действует как местный нейротрансмиттер в определенных областях головного мозга, имеющих отношение к регуляции моторных функций.

ЭТАПЫ БИОСИНТЕЗА В СИМПАТИЧЕСКИХ НЕЙРОНАХ

Стадии биосинтеза на пути образования катехоламинов в течение последних 20 лет изучены весьма подробно, причем все принимающие участие в этом процессе ферменты выделены и детально охарактеризованы [28, 29]. Исходным субстратом для биосинтеза служит аминокислота тирозин. В отличие от того, что наблюдают при биосинтезе тиреоидных гормонов, когда тирозин, также являющийся биосинтетическим предшественником, ковалентно присоединен пептидной связью к крупному белку (тироглобулину), в синтезе катехоламинов тирозин используется в виде свободной аминокислоты. Тирозин поступает в организм главным образом с пищевыми продуктами, но в некоторой степени образуется и в печени путем гидроксилирования незаменимой аминокислоты фенилаланина.

Рис. 3—13. Этапы биосинтеза катехоламинов в окончаниях симпатических нервов, мозговом слое надпочечников и головном мозге. Скорость ограничивающими этапами в процессе биосинтеза являются стадия 1 и, возможно, стадия 3. Вертикальные стрелки обозначают торможение отдельных этапов ( Melmon К. L . — In : Textbook of Endocrinology / Ed . Williams R . H . 5 th ed . — Philadelphia : Saunders , 1974).

На рис. 3—13 приведены стадии ферментативного биосинтеза катехоламинов. Следует подчеркнуть ряд моментов, касающихся этих биосинтетических процессов. Этапом, ограничивающим скорость этих процессов, который имеет место как в симпатических ганглиях, так и в мозговом слое надпочечников, является превращение тирозина в ДОФА под действием тирозингидроксилазы; в ткани присутствуют очень малые количества ДОФА или дофамина [30]. Активность тирозингидроксилазы регулируется некоторыми факторами, к которым относятся: 1 — присутствие субстрата — тирозина, зависящее от скорости транспорта тирозина в клетку; 2 — восстановленный птеридиновый кофактор, который может содержать Fe 2+ ; 3 — конечный продукт синтетических процессов — норадреналин, действующий через ингибирование продуктом по механизму обратной связи. Активность тирозингидроксилазы может ингибироваться и фенилаланином, но он является неконкурентным ингибитором и приобретает значение только в условиях значительного накопления в клетке, что иногда встречается при заболеваниях, подобных фенилкетонурии.

Рис. 3—14. Биосинтез норадреналина в симпатическом нерве ( Axelrod J ., Kopin I . J . Prog . Brain . Res ., 1969, 31, 21).

НА — норадреналин, МАО — моноаминоксидаза. ДОФА — 3,4-диоксифенилаланин

В нервной ткани содержится большое количество фермента декарбоксилазы ароматических L-аминокислот (ДОФА-декарбоксилаза). Его характеризуют высокие Умакс и сродство к своему субстрату — ДОФА. В результате на общую скорость синтеза дофамина слабо влияют даже мощные ингибиторы этого фермента. В связи с этим декарбоксилирование ДОФА не ограничивает скорость биосинтеза норадреналина. Хотя a -метилдофа является конкурентным ингибитором декарбоксилазы, его снижающее артериальное давление действие осуществляется, вероятно, не путем ингибирования этого фермента, а вследствие того, что продукт его метаболизма a -метилнорадреналин блокирует действие норадреналина на периферические рецепторы [31].

СУБКЛЕТОЧНАЯ ЛОКАЛИЗАЦИЯ ЭТАПОВ БИОСИНТЕЗА

Дальнейший анализ этапов биосинтеза катехоламинов требует краткого рассмотрения субклеточной локализации этих этапов. Имеющиеся в этой области представления применительно к симпатическому нерву иллюстрируются на рис. 3—14. Аналогичное распределение процессов наблюдается и в мозговом слое надпочечников. Обе реакции — гидроксилирование тирозина и его декарбоксилирование — быстро протекают в клеточном матриксе под действием ферментов цитоплазмы. Продукт декарбоксилирования — дофамин — активно транспортируется АТФ-зависимым механизмом в цитоплазматические пузырьки или гранулы, содержащие фермент дофамин — b — гидроксилазу.

Внутри гранул путем гидроксилирования b — углеродного атома дофамин превращается в норадреналин. Фермент b — гидроксилаза, по-видимому, хранится в виде неактивного предшественника, составляя часть крупного нерастворимого белкового комплекса (с молекулярной массой 290000), известного под названием хромогранина А [32]. Под действием АТФ комплекс b — гидроксилазы и хромогранина приобретает растворимость и тем самым активируется. В этой активной форме он связывается с белком, расположенным на внутренней поверхности мембраны гранулы, где и образуется норадреналин. Такая компартментализация ферментативных стадий синтеза катехоламинов позволяет поднять ряд интересных вопросов, касающихся регуляторных эффектов норадреналина на процессы своего биосинтеза. Как уже упоминалось, норадреналин служит важным регулятором тирозингидроксилазы — фермента, ограничивающего скорость всего процесса биосинтеза. Можно считать, что норадреналин, образующийся в гранулах, по крайней мере в некоторой степени выделяется в цитозоль, где и оказывает свое ингибиторное действие на присутствующую в цитоплазме тирозингидроксилазу. Можно предположить, что какая-то часть норадреналина поглощается нервными клетками из крови, и в регуляции активности синтеза ДОФА может принимать участие именно этот обратный захват норадреналина.

СЕКРЕТОРНЫЙ ПРОЦЕСС В СИМПАТИЧЕСКИХ НЕРВАХ

Высвобождение норадреналина из симпатических нервов происходит путем экзоцитоза [33, 34]. Этот процесс несколько отличается от аналогичного процесса, свойственного секреторным клеткам, продуцирующим полипептидные и белковые гормоны, тем, что из аксональной области нервной клетки выделяется не содержимое гранул, что наблюдается в клетках, продуцирующих белковый эндокринный секрет, а целиком вся окруженная мембраной гранула с ее содержимым [35]. Такой «тотальный» экзоцитоз предполагает необходимость синтеза нового фермента и компонентов мембраны для возмещения их количества, теряемого в результате секреции. Таким образом, последний этап синтеза норадреналина — -гидроксилирование — решительно зависит от синтеза белка. Ингибиторы белкового синтеза вызывают резкое прекращение продукции и секреции норадреналина. Вторым следствием такого секреторного процесса является попадание в кровь b — гидроксилазы. В настоящее время получена антисыворотка к изолированному и очищенному ферменту, и радиоиммунологический анализ с использованием этой антисыворотки представляет собой чувствительный метод определения нейросекреторной активности в условиях, когда уровень катехоламинов в крови оказывается ниже возможностей его измерения [35].

Экзоцитоз, по-видимому, находится под непосредственным контролем со стороны нервной системы. Секреторные гранулы с содержащимися в них катехоламинами выделяются в кровь в ответ на электрическое раздражение. При этом обнаруживается связь с присутствием ацетилхолина и/или входом в клетку ионов кальция и зависимость от энергии, т. е. интактности окислительных процессов или гликолиза. На миграцию секреторных гранул к периферии клетки может влиять сокращение микрофибрилл или микротрубочек. Винбластин и колхицин, известные ингибиторы функций микротрубочек, угнетают выделение катехоламинов. Не вся секреция катехоламинов происходит путем экзоцитоза»

Рис. 3—15. Синтез и реууляция продукции катехоламинов в мозговом слое надпочечников. Образование ДОФА из тирозина под действием тирозингидроксилазы и Превращение дофамина в норадреналин под действием дофамина-р-гидроксилазы регулируется главным образом нервными импульсами. Метилирование норадреналина с образованием адреналина под действием фенилэтаноламин-N-Meтилтрансферазы контролируется в основном дгортикоидами ( Axelrod J ., Weinshilboum R ., N. Engl . J . Med ., 1972, 287, 237).

Небольшие их количества непрерывно «просачиваются» в кровь, причем в некоторых условиях необычные вещества, такие, как ацетальдегид, которые накапливаются в организме в результате метаболизма алкоголя, могут способствовать выделению катехоламинов без экзоцитоза. Симпатомиметические амины, такие, как тирамин и амфетамин, стимулируют секрецию катехоламинов и тем самым вызывают физиологически важные прессорные эффекты, что сопровождается истощением тканевых запасов катехоламинов. Резерпин также истощает тканевые запасы катехоламинов, но механизм его действия отличается от механизма действия симпатомиметических аминов. Резерпин ингибирует связывание норадреналина с мембранами гранул, и освобожденный норадреналин диффундирует из гранул и метаболизируется в цитоплазме под действием внутринейрональной моноаминоксидазы. Выделяемые в кровь метаболиты биологически инертны и не вызывают периферических прессорных реакций.

СТАДИИ, ПРОХОДЯЩИЕ В МОЗГОВОМ СЛОЕ НАДПОЧЕЧНИКОВ

Мозговой слой надпочечников и органы Цукеркандля представляют собой специализированные производные симпатической нервной системы. Хотя в мозговом слое надпочечников протекают многие из описанных биосинтетических реакций, в целом биосинтетические и регуляторные стадии в этой ткани некоторыми существенными особенностями отличаются от протекающих в симпатическом нейроне (рис. 3—15). Цитоплазматический фермент фенилэтаноламин-N-метилтрансфераза, который определяет превращение норадреналина в адреналин (этап 4 на рис. 3—13), содержится почти исключительно в мозговом слое надпочечников и органах Цукеркандля; в других тканях нервного происхождения он присутствует лишь в незначительных количествах. Адреналин вырабатывается главным образом мозговым слоем надпочечников и вместе с норадреналином составляет основную массу катехоламинов, количество которых колеблется в пределах 5—10 мг/г ткани надпочечника.

Морфологические исследования показали, что норадреналин и адреналин откладываются в разных клетках мозгового слоя надпочечников. Если синтезировать норадреналин способны все клетки мозгового слоя, то метилировать норадреналин с образованием адреналина способны лишь некоторые специфические клетки. Секреторные, или хромаффинные, гранулы, в которых откладываются эти катехоламины в клетках двух разных типов, также обнаруживают различия по скорости седиментации в градиенте плотности. Не известно, чем обусловлено это различие между гранулами, так как они содержат одни и те же белки и фосфолипиды. Катехоламины откладываются в гранулах в виде комплекса,. состоящего из белка хромогранина А, фермента дофамин-бета-оксидазы и большого количества адениновых нуклеотидов, преимущественно АТФ, присутствующих в стехиометрических количествах по отношению к катехоламинам. Хотя процессы образования хромаффинных гранул расшифрованы неполностью, некоторые экспериментальные данные свидетельствуют о существовании следующего ряда событий. Считают, что подобно гранулам других белоксекретирующих клеток гранулы хромаффинной ткани образуются в пластинчатом комплексе и на первых этапах содержат хромогранин А, дофамин-бета-гидроксилазу и другие белки, синтезируемые в ШЭР и переносимые в пластинчатый комплекс. Затем, по мере созревания гранул, в них активно транспортируются и концентрируются АТФ и дофамин. Полагают, что кислый АТФ нейтрализует основные амины и тем самым обеспечивает возможность более эффективного их накопления в высококонцентрированной форме. Кроме того, АТФ обеспечивает энергией транспортные процессы и, вероятно, также утилизируется при стимуляции продукции катехоламинов.

СЕКРЕЦИЯ

Высвобождение секреторных продуктов хромаффинных клеток происходит путем экзоцитоза. Электронно-микроскопические исследования позволили обнаружить различные морфологические стадии этого процесса (рис. 3—16). Механизм высвобождения включает в себя слияние мембраны гранул с плазматической мембраной и расщепление слившихся мембран. Вследствие этого содержимое гранул высвобождается непосредственно во внеклеточное пространство без предыдущего контакта с цитоплазмой клетки. Мембрана гранулы, освободившись от своего содержимого,, втягивается в клетку путем инвагинации и эндоцитоза и разрушается ферментами после фагоцитирования лизосомами.

Рис. 3—16. Часть «адреналиновой» клетки из мозгового слоя надпочечников; видны плотные хромаффинные гранулы в цитоплазме и в процессе-экзоцитоза. Электронная микрофотография (по данным Grinszpan — Wmograci [34]).

РЕГУЛЯЦИЯ СЕКРЕЦИИ И БИОСИНТЕЗА

Непосредственным физиологическим стимулом для высвобождения катехоламинов является ацетилхолин. Стимуляция электрическим разрядом холинергического преганглионарного чревного. нерва, идущего к надпочечнику, приводит к быстрому выбросу содержимого хромаффинных гранул. Ацетилхолин, выделяющийся из преганглионарных окончаний нерва, действует, по-видимому, на наружную поверхность хромаффинной клетки с помощью пока не выясненного механизма. Ацетилхолин не вызывает высвобождения катехоламинов из изолированных хромаффинных гранул.

Важное регуляторное влияние на синтез катехоламинов оказывают и глюкокортикоиды. Эти вещества и АКТГ, действующий путем стимуляции высвобождения глюкокортикоидов, повышают активность ферментов, принимающих участие в синтезе катехоламинов. Гипофизэктомия приводит к значительному снижению активности этих ферментов, которую можно восстановить введением АКТГ или глюкокортикоидов. Глюкокортикоиды, по-видимому, непосредственно модулируют уровень фермента фенилэтаноламин-N-метилтрансферазы и тем самым количество адреналина, продуцируемого мозговым слоем надпочечников. Однако уровень тирозингидроксилазы и дофамин-|3-гидроксилазы в большей мере зависит от содержания в крови АКТГ, чем глюкокортикоидов. Это позволяет предполагать, что в повышении активности указанных ферментов каким-то образом может участвовать цАМФ, образующийся при действии АКТГ на кору надпочечников. Тесные взаимоотношения метаболических процессов в корковом и мозговом слоях надпочечника оправдываются общими реакциями этих двух эндокринных тканей на физические стрессы. Стресс сопровождается повышением секреции АКТГ и глюкокортикоидов, что в свою очередь способствует продукции адреналина мозговым слоем надпочечников. Таким образом, мозговой слой надпочечников можно рассматривать как один из многих органов-мишеней продуктов коры надпочечников, в которой развиваются изменения при стрессе. Больше того, тесная близость коры и мозгового слоя надпочечников, а также тот факт, что венозный отток из коркового слоя проходит через мозговой, создают анатомическую возможность попадания в последний высоких концентраций глюкокортикоидов прежде, чем они подвергнутся разведению в общей циркуляции.

ИЗБИРАТЕЛЬНОЕ ВЫСВОБОЖДЕНИЕ

Некоторые стимулы избирательно повышают выделение из мозгового слоя надпочечников либо адреналина, либо норадреналина. По-видимому, это обусловливается избирательной стимуляцией того или другого типа клеток мозгового слоя [36]. Гипогликемия или никотин избирательно стимулирует секрецию адреналина и вызывает соответствующее истощение медуллярных запасов адреналина, тогда как закупорка сонной артерии приводит к появлению надпочечникового секрета, содержащего мало адреналина по отношению к норадреналину. Избирательная секреция отдельных катехоламинов вполне могла бы иметь отношение к функциональной роли того или иного из них, так как биологическая активность этих гормонов характеризуется существенными различиями. Норадреналин, например, вызывает сужение сосудов, тогда как адреналин вызывает расширение их в скелетных мышцах и обладает более выраженным метаболическим действием. Исследование влияний эмоционального стресса на секрецию катехоламинов также свидетельствует о дифференцированной реакции. Как правило, пассивное, напряженное, беспокойное поведение сопровождается повышением секреции адреналина, а агрессивные, враждебные реакции сопровождаются преимущественным усилением секреции норадреналина.

МЕТАБОЛИЗМ И ИНАКТИВАЦИЯ

Катехоламины метаболизируются и инактивируются в одной из трех анатомических структур: 1 — внутри нейрона, секретирующего эти соединения, после того, как они попадут обратно в цитоплазму в ходе процесса, известного под названием обратного захвата; 2 — в эффекторных клетках (мишенях) после оказания своего биологического действия и 3 — в печени после удаления из крови. Первый процесс протекает преимущественно в нейронах головного мозга и в периферической нервной системе. Этот обратный захват служит быстрым и экономичным механизмом; прекращения действия катехоламинов, выступающих в роли местных нейротрансмиттеров. Большая часть поглощаемого таким образом амина вновь проникает в секреторные гранулы и повторно используется нейроном в цикле секреторных процессов. Часть, амина, не попадающая в гранулы, разрушается в цитоплазме нейрона. Следует отметить, что процесс захвата путем транспорта через мембрану нейрона и хромаффинной гранулы отличается от-процесса накопления амина в гранулах. Вещества, препятствующие одному процессу, могут практически не влиять на другой;. Так, резерпин, препятствующий накоплению норадреналина, влияет на захват лишь в минимальной степени, а кокаин и трициклические антидепрессанты (имипрамин, имизин), блокирующие захват, не оказывают видимого влияния на накопление. Для элиминации катехоламинов, выделяемых в кровоток мозговым слоем надпочечников, служат главным образом 2-й и 3-й пути метаболизма. Метаболизм катехоламинов определяется сочетанным действием двух ферментов — моноаминоксидазы и катехол-О-метилтрансферазы. Эти ферменты присутствуют в печени, почках, плазме крови и цитоплазме нейронов. Главными метаболитами норадреналина и адреналина являются ванилилминдальная кислота и метокси-оксифенилгликоль, оба экскретируемые с мочой.

Продуктами биологического метаболизма дофамина, обнаруживаемыми в моче, являются гомованилиновая кислота и метокситирамин. Хотя дополнительные минорные О-метилированные метаболиты адреналина и норадреналина — метанефрин и норметанефрин, образующиеся под действием катехол-О-метилтрансферазы, составляют лишь небольшую фракцию мочевых метаболитов, они лучше и непосредственнее отражают количество выделяемых в кровь биологически активных аминов, чем дезаминированные продукты. Катехоламины, поглощаемые эффекторными клетками, такими, как нейроны и гепатоциты, метаболизируются почти полностью. В моче присутствует лишь очень небольшое количество неизмененных аминов.

СТЕРОИДНЫЕ ГОРМОНЫ НАДПОЧЕЧНИКОВ

Кора надпочечников служит главным источником глюкокортикоидных и минералокортикоидных стероидных гормонов и в меньшей степени половых стероидных гормонов. Корковое вещество разделяется на три зоны, которые можно различить по морфологическому виду клеток и продуцируемым ими стероидным соединениям. Самый наружный слой коры — клубочковая зона — является местом синтеза минералокортикоидов, из которых наибольшее функциональное значение у человека и крысы имеют соответственно альдостерон и кортикостерон. Клетки средней зоны — пучковой — продуцируют глюкокортикоиды кортизол и кортизон. Самый внутренний слой — сетчатая зона — также принимает участие в синтезе глюкокортикоидов и, кроме того, как считают, производит небольшое количество стероидных половых гормонов андрогенов и эстрогенов. Главными источниками стероидных половых гормонов, однако, служат половые железы, и продукции половых гормонов корой надпочечников придают функциональное значение только в необычных условиях, когда на путях биосинтеза в надпочечных железах появляются дефекты ферментов. Функциональное подразделение биосинтетической активности коры надпочечников по анатомическим областям основано на результатах гистологических и гистохимических исследований этой ткани после «удаления» ее специфических стимуляторов. Гипофизэктомия и вызываемое ею отсутствие АКТГ приводят к атрофии пучковой и сетчатой зон, тогда как в клубочковой зоне появляются очень небольшие изменения. В то же время хроническая нагрузка натрием вызывает избирательную атрофию клубочковой зоны. Наоборот, при длительной стимуляции АКТГ или ограничении потребления натрия возникает соответственно гипертрофия пучковой и сетчатой или клубочковой зоны. Как будет показано далее, некоторые специфические ферменты, необходимые для образования минерале- и глюкокортикоидов, обнаруживаются только в специфических зонах коркового слоя надпочечников.

СТАДИИ БИОСИНТЕЗА

Биосинтез стероидных гормонов проходит сложную последовательность контролируемых ферментами этапов (рис. 3—17 [37, 38]. Ближайшим химическим предшественником надпочечниковых стероидов является холестерин, который не только поглощается клетками коры надпочечников из крови, но и образуется внутри этих клеток. Синтез холестерина начинается с ацетил-СоА и проходит через ряд промежуточных продуктов. Точное соотношение поглощенного из крови и образованного в самих клетках холестерина неизвестно, но, по-видимому, оба процесса играют существенную роль в обеспечении биосинтеза стероидных гормонов необходимым субстратом. Холестерин, будь то поглощенный из крови или синтезированный в коре надпочечников, накапливается в цитоплазматических липидных каплях (см. раздел, посвященный клеточному пути биосинтеза). Затем в митохондриях холестерин превращается в прегненолон путем образования вначале 20а-оксихолестерола, потом 20а, 22-диоксихолестерола и, наконец, расщепления цепи между 20-м и 22-м углеродным атомом с образованием прегненолона. Считается, что превращение холестерина в прегненолон является ограничивающим скорость этапом биосинтеза стероидных гормонов и что именно этот этап контролируется стимуляторами надпочечников: АКТГ, калием и ангиотензином II. В отсутствие стимуляторов надпочечники образуют очень мало прегненолона и стероидных гормонов. Прегненолон трансформируется в глюко-, минералокортикоиды и половые гормоны тремя разными ферментативными реакциями. Основной путь, наблюдаемый в пучковой зоне, включает дегидрирование 3|3-гидроксильной группы прегненолона с образованием прегн-5-ен-3,20-диона, который затем подвергается изомеризации в прогестерон. В результате серии гидроксилирований прогестерон превращается в 17а-оксипрогестерон под влиянием системы 17а-гидроксилазы, а затем в 17а, 21-диоксипрогестерон (17 a -оксидезоксикортикостерон, 11-дезоксикортизол, соединение S ) и, наконец, в кортизол в ходе 11 b -гидроксилирования (соединение F ). У крыс главным глюкокортикоидом, синтезируемым в коре надпочечников, является кортикостерон; небольшое количество кортикостерона продуцируется и в коре надпочечников человека. Путь синтеза кортикостерона идентичен таковому кортизола, за исключением лишь отсутствия этапа 17а-гидроксилирования. Альдостерон образуется из прегненолона в клетках клубочковой зоны путем, отличающимся от пути синтеза кортизола несколькими моментами. Клубочковая зона не содержит 17 a -гидроксилазы и поэтому лишена способности синтезировать кортизол. Вместо него образуется кортикостерон, часть которого под действием 18-гидроксилазы превращается в 18-оксикортикостерон и затем под действием 18-оксистероиддегидрогеназы — в альдостерон. Поскольку 18-оксистероиддегидрогеназа обнаружена только в клубочковой зоне, считается, что и синтез альдостерона ограничен этой зоной.

Рис. 3—17. Схематическое изображение внутриклеточного процесса биосинтеза кортикостероидов в надпочечниках. Следует обратить внимание на точку разветвления путей после образования прогестерона, в которой начальное 21-гидроксилирование приводит к образованию минералокортикоидов (кортикостерон, альдостерон), а 17-гидроксилирование — к образованию глюкокортикоидов (кортизол) [ Malamed , 39].

Хотя главными физиологически значимыми стероидными гормонами, продуцируемыми корой надпочечников, являются кортизол и альдостерон, эта железа образует и небольшие количества андрогенов и эстрогенов, синтезируемых 3-м путем, в ходе которого 17,20-десмолаза превращает 17-оксипрогненолон и 17а-окси-ирогестерон в слабые андрогены дегидроэпиандростерон и D 4 — андростендион соответственно. Небольшие количества этих андрогенов превращаются в андрост-4-ен-3,17-дион и тестостерон. По всей вероятности, из тестостерона образуются также небольшие количества эстрогена 17бета-эстрадиола.

В норме превращение прегненолона в конечные продукты — кортизол, альдостерон, кортикостерон и дегидроэпиандростерон — происходит столь быстро, что эти продукты (но ни один из интермедиатов) являются единственными, которые накапливаются в количествах, достаточных для обеспечения физиологически значимой секреции.

Различные ферменты, принимающие участие в биосинтезе стероидов, можно разделить на три класса: гидроксилазы и лиазы (отщепляющие боковые цепи), требующие кислорода и НАДФ-Н; дегидрогеназы, которые используют НАД + в качестве акцептора водорода и катализируют обратимые реакции; изомеразы, коферменты которых не идентифицированы. Гидроксилазы включают в себя несколько белков; они идентифицированы как ФАД-со держащий флавопротеин, негемовый железопротеин — адренодоксин и протопорфирин, гемопротеин — цитохром Р-450.

Источником восстановительной энергии для гидроксилирования является НАДФ-Н. В митохондриях и гладком эндоплазматическом ретикулуме, по-видимому, происходят близкие мультикомионентные реакции гидроксилирования. Однако компоненты систем в органеллах обоих типов различаются. В митохондриях для переноса электронов на цитохром С или цитохром Р-450 необходим как специфический флавопротеин, так и адренодоксин. В эндоплазматическом ретикулуме главным участником переноса электронов является другой флавопротеин, непосредственно восстанавливающий цитохром С; перенос же электронов на цитохром Р-450 облегчается, по-видимому, фосфолипидом.

Следует отметить существование врожденных клинических состояний, обусловленных дефицитом одного или нескольких ферментов, участвующих в реакциях биосинтеза. В этих условиях скорость ограничивающим становится тот этап биосинтетического процесса, который катализируется дефицитным ферментом, причем накапливаются и секретируются в избыточных количествах предшественники (субстраты) замедленной реакции. В настоящее время выяснены следующие клинические формы этих состояний дефицит 2-гидроксилазы (встречается чаще всего), сочетание дефицита 21-гидроксилазы с дефицитом 18-гидроксилазы, дефицит 11-гидроксилазы и 17-гидроксилазы. Еще две формы являются следствием дефицита либо 3 b -оксистероид-дегидрогеназы, либо 18-оксидегидрогеназы. Все эти ферментные блоки приводят к недостаточной продукции и секреции кортизола — наиболее важного регулятора выделения АКТГ по принципу обратной связи. В результате уровень АКТГ в крови резко повышается и кора надпочечников становится объектом интенсивной стимуляции. Развивается выраженная гиперплазия ее. Продукция стероидов, образующихся проксимальнее заблокированного этапа процесса биосинтеза, увеличивается во много раз и достигает патологического уровня. Например, при недостаточности активности 21-гидроксилазы вследствие дефицита кортизола и альдостерона возникают гипогликемия и потеря соли, а вследствие избыточной продукции слабых андрогенов — дегидроэпиандростерона и D 4 -андростендиона — развивается выраженная вирилизация. Лечение кортизоном или кортизолом приводит к подавлению секреции АКТГ и снижению количества секретируемых надпочечниковых андрогенов.

Некоторые вещества оказывают избирательное ингибиторное действие на ферменты стероидогенеза. Метиранон, 2-метил-1,2-ди-3-пиридил-1-пропанон ( SU 4885), снижает или полностью ингибирует 11 b -гидроксилазу, что приводит к снижению секреции кортизола и одновременному увеличению секреции дезоксикортикостерона и 11-дезоксикортизола вследствие увеличения секреции АКТГ. Доказана большая клиническая польза метирапонового теста на функциональную целостность надпочечниково-гипофизарной оси; адекватное повышение уровня 11-дезоксикортизола в крови или 17-оксистероидных метаболитов в моче после введения этого вещества является веским доказательством сохранения функции как коры надпочечников, так и гипофиза. Аминоглютетимид (2-этил-2-аминофенил глютарамид) тормозит превращение холестерина в 20 a -оксихолестерол; это приводит к накоплению холестерина в коре надпочечников и ингибированию синтеза кортикоидов. Соединение 1,1-дихлор-2-(о-хлорфенил)–2-(р-хлорфенил)-этан (о, р-ДДД) вызывает дегенеративные изменения именно в митохондриях надпочечников, вследствие чего тормозится секреция адренокортикостероидов. Механизм действия этого вещества сводится, по-видимому, к широкому угнетению активности многих ферментов коры надпочечников. Как аминоглютетимид, так и о, р-ДДД с определенным успехом применяются в лечении карциномы коры надпочечников.

Рис. 3—18. Часть адренокортикальной клетки крысы. а — ЛК — липидная капля: М — митохондрия; ГЭР — гладкий эндоплазматический ретикулум; ПМ — плазматическая мембрана. Следует обратить внимание на скудность шероховатого эндоплазматического ретикулума. х21 000; б — круглые структуры в матриксе митохондрий — это срезы через пузырьки и в некоторых случаях— через трубочки. Стрелками показаны взаимосвязи между трубочками и/или пузырьками (см. рис. 3—19) ( Malamed ). Электронная микрофотография. х42 700.

СУБКЛЕТОЧНАЯ ЛОКАЛИЗАЦИЯ ЭТАПОВ БИОСИНТЕЗА

Исследование ультраструктуры клеток паренхимы коры надпочечников млекопитающих выявило три четкие особенности, свойственные этому органу и некоторым другим стероидпродуцирующим клеткам, таким, как интерстициальные клетки яичников и семенников (рис. 3—18) [39]. Этими особенностями являются: 1—присутствие широкой сети гладкого эндоплазматического ретикулума без прикрепленных к нему рибосом и практически отсутствие ШЭР; 2 — присутствие большого количества липидных капель; 3 — присутствие высокоспециализированных и характерных митохондрий, структурно отличающихся от митохондрий других клеток тем, что они содержат трубчатые, пальцевидные инвагинации в складках внутренней мембраны (кристах) (рис. 3—19) Эти ультраструктурные особенности соответствуют особенностям биосинтеза стероидных гормонов в клетках коры надпочечников. Ферментативные этапы биосинтеза стероидов в клетке локализуются внутри мембран гладкого эндоплазматического ретикулума и митохондрий. Липидные капли содержат холестерин — сырой материал для синтеза стероидов; внутри капель заключено 75% общего количества холестерина в клетке, 8% находится в гладком эндоплазматическом ретикулуме, а остальное—в митохондриях.

Рис. 3—19. Предполагаемое строение митохондрий клеток коры надпочечников. Рисунки выполнены на основе электронно-микроскопической картины поперечных срезов адренокортикальных клеток (см. рис. 3—186) ( Malamed [39]).

Относительная скудность рибосом отражает тот факт, что ферменты, участвующие в отдельных реакциях биосинтеза гормонов, стабильны, не покидают клетку и обладают длительным периодом полужизни в клетке. Эта особенность клеток коры надпочечников резко отличает их от клеток, секретирующих белковые гормоны, и, например, от клеток мозгового слоя надпочечников, в котором ключевой фермент синтеза катехоламинов — b — гидроксилаза — секретируется из клетки. В клетках, богатых рибосомами и ШЭР, кругооборот белков происходит с высокой скоростью и соответственно требуется большая скорость синтеза белка, чтобы возместить потери его в результате секреции во внеклеточное пространство.

Исследования с фракционированием клеток и применением цитохимической идентификации отдельных процессов способствовали выяснению локализации ферментов биосинтеза в тех или иных субклеточных пространствах (см. рис. 3—17). Необходимо учитывать, однако, возможность получения артефактов в связи с неспецифической адсорбцией ферментов на субклеточных фракциях. Ионы ацетата полимеризуются в холестерин из ацетил-СоА в гладком эндоплазматическом ретикулуме. У животных некоторых видов определенные количества холестерина поступают в клетку и пз плазмы крови. Последующие реакции протекают в митохондриях, где холестерин превращается в прегненолон. Прегненолон покидает митохондрию и вновь проникает в гладкий эндоплазматический ретикулум, в котором образуется прогестерон и, следуя по глюкокортикоидному пути, далее гидроксилируется в 17-м и 21-м положениях, образуя 17-окси-дезоксикортикостерон (11-дезоксикортизол). Последний этап—11-гидроксилирование — происходит в митохондриях. Образование минералокортикоидов несколько отличается от образования глюкокортикоидов. Оба эти пути расходятся на стадиях после образования прогестерона. Альдостерон синтезируется за счет 21-гидроксилирования прогестерона в гладком эндоплазматическом ретикулуме, вслед за чем происходят 11-, 18-гидроксилирование и, наконец, превращение под действием 18-дегидрогеназы; все эти процессы протекают в митохондриях (см. рис. 3—17).

Тесное сопряжение ферментативных реакций, протекающих в митохондриях и гладком эндоплазматическом ретикулуме, подтверждается ультраструктурными наблюдениями, свидетельствующими о близком соседстве митохондрий, эндоплазматического ретикулума и липидных капель. Высокая складчатость и трубчатая структура митохондриальных и ретикулярных мембран создает большую поверхность, на которой могут разворачиваться ферментативные процессы.

Если схема, приведенная на рис. 3—17, верна, то внутриклеточная локализация стероидогенеза трижды перемещается из гладкого эндоплазматического ретикулума в митохондрии. Это предполагает перемещение субстратов или мембран органелл или тех и других вместе. Клеточные и молекулярные механизмы, направляющие эту серию внутриклеточных транслокаций, точно не известны.

Транспорт прегненолона из митохондрий в эндоплазматический ретикулум зависит не от связывания с белками цитозоля, а скорее от сильной ассоциации с какими-то молекулами в эндоплазматическом ретикулуме. Это обеспечивает в равновесных условиях высокую концентрацию прегненолона в эндоплазматическом ретикулуме по сравнению с его концентрацией в цитозоле. Такой перенос в эндоплазматический ретикулум поддерживает разницу концентраций между митохондриями и цитозолем, что, по-видимому, и обеспечивает постоянную диффузию из митохондрий.

Очертить морфологию пути секреции стероидных гормонов в клетках коры надпочечников не представляется возможным. Не удается точно идентифицировать дискретные секреторные гранулы или пузырьки. Одной из причин отсутствия сведений по этому вопросу является накопление лишь очень малого количества стероидных гормонов перед их выделением из железы. Морфологическое следствие такого отсутствия отложения гормонов заключается в том, что в клетках коры надпочечников присутствует, вероятно, очень мало органелл (гранул, пузырьков), в которых обычно хранятся внутриклеточные запасы веществ. Возможно, однако, что какая-то часть липидных капель, в избытке присутствующих в клетке, содержит стероидные гормоны, высвобождающиеся из клетки путем экзоцитоза.

РЕГУЛЯЦИЯ СЕКРЕЦИИ

Регуляция функции коры надпочечников будет рассмотрена на примере некоторых сторон контроля за секрецией и синтезом кортизола.

Наиболее важным, если не единственным, физиологическим регулятором продукции кортизола является. АКТГ [40, 41]. Длительное повышение уровня АКТГ в крови, наблюдаемое при некоторых опухолях гипофиза или других, не гипофизарных, опухолях с эктопической продукцией АКТГ, сопровождается гиперплазией надпочечников и гиперкортицизмом. Напротив, гппофизэктомия приводит к атрофии надпочечников, особенно пучковой и сетчатой зон. Синтез и секреция АКТГ в свою очередь регулируются уровнем кортизола в крови путем замыкания ингибиторной петли обратной связи непосредственно на аденогипофизе. Полагают, что кортизол может действовать также на гипоталамические и другие мозговые центры, регулируя продукцию кортикотропин-рилизинг фактора, но убедительных доказательств существования такого регуляторного пути пока не получено. Несомненно, однако, что влияние ЦНС является важной детерминантой высвобождения АКТГ. Разнообразные стрессы, такие, как гипогликемия, тяжелая травма и болезни, а также эмоциональные стрессы, стимулируют секрецию АКТГ, несмотря на присутствие в крови таких уровней кортизола, которые в норме оказывают ингибиторное действие. Основной регулятор секреции АКТГ и, следовательно, продукции кортизола, по всей вероятности, действительно образуется в головном мозге. Уже много лет известно, что секреция АКТГ и кортизола обнаруживает суточные ритмы, определяемые «биологическими часами», расположенными в головном мозге и подчиняющимися конкретным циклам свет — темнота и/или бодрствование — сон [42, 43]. У здоровых людей, бодрствующих днем и спящих ночью, максимальная скорость секреции приходится на период между полуночью и рассветом, а минимальная регистрируется после полудня и ранним вечером. Примерно 80—90% общей суточной секреции кортизола приходится на период между 4 и 6 ч утра. В интервале между этими периодами железа остается в спокойном состоянии. Подробные исследования характера секреции у здоровых людей, проводимые путем анализа проб крови, отбираемых в течение 24 ч с частыми интервалами, обнаружили существование нерегулярных выбросов

АКТГ и кортизола, разделенных промежутками полного отсутствия секреции [44]. Такая эпизодическая секреция, по-видимому, вообще характерна для гормонов передней доли гипофиза, поскольку СТГ, пролактин, ЛГ и ФСГ также секретируются «вспышками». Причины и физиологическая значимость такого нерегулярного характера секреции не известны. Эта нерегулярность не определяется соответствующими колебаниями уровня содержания в крови тех или иных гормонов, продукция которых контролируется гипофизарными гормонами, но накладывается на гораздо более широкие во времени колебания, реципрокно связанные с уровнем в крови продуктов, выделяемых органами-мишенями.

Влияние АКТГ на секрецию кортизола надпочечниками проявляется быстро [41]. Повышение уровня кортизола в крови отмечается уже в пределах 2—3 мин после введения АКТГ человеку или экспериментальному животному. Поскольку клетки коры надпочечников содержат мало депонированного кортизола, эти быстрые эффекты АКТГ предполагают повышение скорости биосинтеза стероидов, а не ускорение секреции уже готового гормона. Такое быстрое действие должно сказываться на реакциях, происходящих до гидроксилирования и отщепления боковой цепи холестерина или во время этих процессов и обусловливающих образование прегненолона, поскольку именно этот этап идентифицирован в качестве скорость ограничивающего в процессе биосинтеза стероидов.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ АКТГ

Считают, что в клеточных механизмах, с помощью которых АКТГ влияет на высвобождение и синтез кортизола и других стероидных гормонов коры надпочечников, участвует активация связанной с клеточной мембраной аденилатциклазы, подобно тому, что наблюдается при активации секреторных и клеточных процессов во многих других тканях [41]. АКТГ специфически и с высоким сродством связывается с рецепторами, расположенными на плазматической мембране клеток коры надпочечников, что приводит к активации аденилатциклазы и образованию цАМФ. Последующие молекулярные реакции менее выяснены, но, по всей вероятности, цАМФ обусловливает фосфорилирование одной или более протеинкиназ, тем самым переводя их из неактивных комплексов в форму активных каталитических субъединиц, которые в свою очередь фосфорилируют и, следовательно, активируют ферменты, принимающие участие в процессах биосинтеза стероидов. Точная природа последних стадий в серии происходящих реакций не известна, и модели, изображающие эти реакции, в настоящее время следует считать лишь предположительными. Одна такая модель представлена на рис. 3—20. Эта схема предусматривает возможность двух, не противоречащих имеющимся сведениям, реакций, с помощью которых фосфорилированные протеинкиназы контролируют (активируют) ранние стадии синтеза стероидов. Одна из них предполагает повышение внутримитохондриального связывания холестерина и цитохрома Р-450, что является важным этапом ферментативного гидроксилирования и отщепления боковой цепи холестерина с образованием прегненолона вследствие активации гипотетического лабильного интермедиата (холестерин-Р-450).

Другой реакцией, которая могла бы контролироваться активированной протеинкиназой, является фосфорилирование и последующая активация цитоплазматического фермента холестеринэстеразы, которая расщепляет эфир холестерина с образованием свободного холестерина. Эти предполагаемые объекты действия протеинкиназ соответствуют данным, полученным при кинетическом анализе скорости реакций на различных стадиях биосинтеза стероидов и показавшим, что скорость ограничивающим этапом является превращение холестерина в прегненолон.

Рис. 3—20. Предполагаемый механизм действия АКТГ на клетку коры надпочечника. Согласно этой модели, АКТГ не проникает в клетку, а стимулирует продукцию второго медиатора—цАМФ—путем активации связанной с рецептором аденилатциклазы в плазматической мембране. Холестерин может образовываться в гладких микросомах до проникновения в липидные капли (см. рис. 3—19) ( Simpson E . R . и соавт., J . Biol . Chem ., 1978, 235, 3135),

ВИТАМИН D : БИОГЕНЕЗ И МЕТАБОЛИЗМ

В начале века впервые был обнаружен и назван витамином D жирорастворимый фактор, содержащийся в печеночной ткани животных и рыб и обладающий способностью излечивать рахит. Позднее было показано, что аналогичный антирахитический фактор может образовываться в коже млекопитающих и в некоторых растениях (зерновые, бобовые) под влиянием ультрафиолетовых лучей [45, 46]. Это открытие означало, что данный фактор не является витамином в строгом смысле, поскольку он вырабатывается в коже и переносится кровью к объектам своего действия в отдаленных тканях-мишенях, что является характерной особенностью гормонов. Таким образом, витамин D представляет собой и витамин, если он поступает в организм извне, и гормон, если он образуется в коже под действием ультрафиолетовых лучей.

ХИМИЯ

Исследования, проведенные до 30-х годов, привели к выяснению структуры витаминов D3 (холекальциферол) и D 2 (эргокальциферол), которые представляют собой 9,10-секо-производные 7-дегидрохолестерина (холеста- D 5,7 -диена) и эргостерола (эргоста- D 5,7 -диена), соответственно [47, 48]. Витамин D3—это именно та форма витамина, которая образуется в коже под влиянием ультрафиолетовых лучей и депонируется в печени, а витамин D 2 образуется при облучении растительных стеролов.

Интенсивные исследования, проведенные в течение последних 20 лет, позволили расшифровать процесс биосинтеза, включающий последовательное гидроксилирование, которое превращает неактивные стероловые предшественники в активную форму витамина D — 1,25-диоксивитамин D [1,25 ( OH )₂ D ] [49—51].

ЭТАПЫ БИОСИНТЕЗА: ФОТОБИОГЕНЕЗ И МЕТАБОЛИЗМ

Схема стадий биосинтеза витамина D3 (холекальциферол) приведена на рис. 3—21. Субстратом синтеза 7-дегидрохолестерина — «провитамина» служит ацетил-СоА. Ультрафиолетовый фотолиз провитамина приводит к образованию 6,7-цис изомера, называемого «провитамин D3» (преD3). Этот изомер под действием температуры превращается в коже в витамин D 3. Аналогичная группа реакций наблюдается и при образовании витамина D 2 (эргокальциферол) из провитамина эргостерола. Витамины В3 и Da затем транспортируются на специфических, связывающих витамин D, белках плазмы в печень, где карбоксилируются по 25-му углеродному атому (С-25) с образованием одного из главных циркулирующих в крови метаболитов — 25-оксивитамина D (25- OHD ). Хотя именно печень является главным местом 25- гидроксилирования витамина D, однако в некоторой степени оно происходит и в других органах. Витамин D 3 25-гидроксилаза локализуется в микросомах печени (и других органов), причем ферментативная реакция в качестве кофакторов требует восстановленного НАДФ и молекулярного кислорода. В физиологических концентрациях ни витамин D, ни 25-OHD не способны стимулировать транспорт кальция в кишечнике или мобилизацию кальция из костей.

Конечной активной формой витамина является 1,25(ОН)₂D. Этот дважды гидроксилированный метаболит образуется в почках путем гидроксилирования 25-OHD, синтезируемого в печени и транспортируемого белковыми переносчиками плазмы в почки. Считается, что почки являются главным, если не единственным местом локализации la-гидроксилазы 25-OHD. В отличие от 25-гидроксилазы витамина D, которая присутствует в печеночных микросомах, 1 a -гидроксилаза 25-OHD локализуется в митохондриях почечных клеток, и реакция гидроксилирования требует присутствия НАДФ-Н, молекулярного кислорода и ионов магния. Кроме того, этот фермент представляет собой оксидазу со смешанными функциями, зависимую от цитохрома Р-450. 1,25( OH )2 D транспортируется белками-переносчиками плазмы в специфические клетки-мишени кишечника и скелета, где и оказывает свое биологическое действие. О точной природе белков плазмы, участвующих в транспорте витамина D и его метаболитов, известно мало. По-видимому, они являются a -глобулинами, но не ясно, один или несколько белков выполняют эту транспортную функцию.

Рис. 3—21. Начальные этапы биосинтеза витамина D. 7-Дегидрохолестерин (провитамин D), образующийся из ацетил-СоА, накапливается в коже, где в ответ на солнечное или ультрафиолетовое излучение вследствие фотометаболизма превращается в витамин В3 (холекальциферол) через промежуточные стадии, включающие образование превитамина D.

Механизм действия 1,25( OH )₂ D , очевидно, сходен с механизмом действия надпочечниковых и половых стероидов тем, что в нем участвует связывание дигидроксилированного витамина с цитозольными рецепторными белками. Витаминорецепторный комплекс затем транслоцируется в ядро, в котором он стимулирует синтез РНК и в результате синтез связывающих и/или транспортирующих кальций белков. Современные данные убедительно свидетельствуют о том, что 1,25( OH )₂ D является конечной активной формой витамина и что она представляет собой конечный продукт последовательных реакций гидроксилирования. Через несколько часов после введения животным меченого 1,25 (ОН)₂ D , когда уже отчетливо виден транспорт кальция в кишечнике и скелете, большую часть меченого вещества удается обнаружить в неизмененном виде; это свидетельствует о том, что для проявления биологической активности дальнейший метаболизм не требуется. Некоторые исследователи, однако, в экстрактах кишечника идентифицировали небольшие количества трижды гидроксилированного метаболита — 1,24,25-триоксивитамина D , — причем кишечник содержит, по-видимому, и фермент, способный гидроксилировать 1,25 (ОН)₂ D в 24-м положении. Таким образом, возможно, хотя и не доказано, что определенная часть биологической активности 1,25( OH )₂ D в кишечнике обусловлена его гидроксилированием в 1,24,25 (ОН)₂ D . Помимо уже описанных реакций гидроксилирования, в почках и, вероятно, в других тканях присутствуют активности, гидроксилирующие 25- OHD в 24-м положении, что приводит к образованию 24,25 (ОН)₂ D . Биологические эффекты этого особого дважды гидроксилированного метаболита выяснены неполностью. По крайней мере, одна из его функций могла бы заключаться в ингибировании секреции паратиреоидного гормона (см. далее).

Биосинтетический путь образования биологически активного витамина D через последовательные реакции гидроксилирования отличается от пути образования стероидных гормонов надпочечников по крайней мере одним интересным аспектом. Все ферментативные стадии, необходимые для гидроксилирования и синтеза стероидных гормонов надпочечников, происходят в одном и том же органе — коре надпочечников, и в одной и той же клетке коры, хотя и в разных субклеточных органеллах. В отличие от этого, различные этапы гидроксилирования на пути синтеза ди- и тригидроксилированных метаболитов витамина D происходят по крайней мере в трех разных органах (кожа, печень и почки), что делает необходимым существование высоко избирательных процессов захвата, ферментативной модификации и выделения метаболитов, равно как и транспорта промежуточных метаболитов из органа в орган через кровоток. Факт столь разительного отличия путей биосинтеза, происходящего в ходе последовательного гидроксилирования этих двух видов стероидных гормонов безусловно интересен. Хотя причины таких различий не известны, можно было бы предположить, что они связаны с эволюцией механизма, обеспечивающего существование множества пунктов, в которых происходит регуляция образования активной формы витамина D.

РЕГУЛЯЦИЯ

Главная регулируемая стадия биосинтеза витамина D локализуется на уровне превращения 25-OHD в 1,25 (ОН)₂ D под влиянием 1 a -гидроксилазы 25-OHD в почках. Биосинтез витамина может в какой-то степени регулироваться и на уровне 25-гидроксилирования в печени, а также на уровне превращения провитамина D в витамин D в коже, но общее значение этих регуляторных этапов не выяснено.

Рис. 3—22. Схематическое изображение предполагаемых пунктов регуляции в процессе метаболизма витамина D.

1 — 25-гидроксилирование в печени; 2 — 1-гидроксилирование в почках: паратиреоидный гормон стимулирует, а гиперфосфатемия подавляет превращение 25-оксивигамина D3 в 1,25-диоксивитамина D3: 3 — действие 1,25-диоксивитамина D 3 на цитозольные рецепторы в кишечнике и кости — главных органах-мишенях (НаЬег J . F ., Mahaffey J . E ., Ann . Rev . Med ., 1978, 29, 327).

С физиологической точки зрения важно, что активность почечной 1 a -гидроксилазы 25-OHD находится в обратной зависимости от уровня ионизированного кальция во внеклеточной жидкости. Так, снижение уровня ионизированного кальция в плазме приводит к усилению образования 1,25 (ОН)₂ D из его предшественника 25-OHD и, наоборот, повышение уровня кальция подавляет образование дигидроксилированного метаболита. В первом случае всасывание кальция в кишечнике и резорбция его из скелета стимулируются, тогда как во втором случае эти процессы тормозятся и, таким образом, происходит обратный сдвиг уровня кальция во внеклеточной жидкости в направлении его нормализации. Однако кальций, вероятно, изменяет активность 1 a -гидроксилазы не непосредственно. Он осуществляет свое влияние опосредованно путем регуляции высвобождения паратиреоидного гормона в кровь, а паратиреоидный гормон уже действует на почки, регулируя степень гидроксилирования в 1-м положении (рис. 3—22). По-видимому, это действие паратиреоидного гормона на процесс 1-гидроксилирования также не прямое, а опосредуется влиянием гормона на трансмембранные потоки фосфатного иона в клетках почечных канальцев. Активность la-гидроксилазы, очевидно, непосредственно зависит от окружающей концентрации фосфатного иона; гипофосфатемия стимулирует, а гиперфосфатемия угнетает образование 1, 25( OH )₂ D .

Помимо фосфатных ионов, оказывающих сильное влияние на. скорость образования 1,25 (ОН)₂ D , другие факторы могут регулировать или модулировать активность 1 a -гидроксилазы и в результате—количество 1,25 (ОН)₂ D , продуцируемое почками. К таким факторам относятся пролактин, половые стероиды, глюкокортикоиды и инсулин. Относительное значение этих гормонов в регуляции биосинтеза витамина D в настоящее время не известно, по возможность участия некоторых гормонов гипофиза половых желез и поджелудочной железы в регуляции биосинтеза и метаболизма витамина D открывает новые интересные области исследования сложных взаимоотношений гормональных эффектов в регуляции метаболизма кальция в костях скелета.

Источник статьи: http://zinref.ru/000_uchebniki/03200medecina/129_ehndokrinologiya-metabolizm-felig-bakster-1985/003.htm

Строение биосинтез и биологическое действие гормонов

Введение

Гормоны

Классификация гормонов

Свойства гормонов

Типы биологического действия гормонов

Механизм действия пептидных гормонов и адреналина

Кальций

Инозитолтрифосфат и диглицерид

Механизм действия стероидных гормонов и тироксина

Гормоны щитовидной железы

Действие физиологических (нормальных) концентраций Т4

Действие высоких (избыточных) концентраций Т4

Гормоны паращитовидных желёз

Патология

Гормоны поджелудочной железы

Действие инсулина на внутриклеточный метаболизм

Патология

Гормоны мозгового вещества надпочечников

Патология

Гормоны коры надпочечников

Биохимические особенности коры надпочечников

Распад стероидных гормонов

Глюкокортикоиды

Действие глюкокортикоидов на метаболизм

Системное действие глюкокортикоидов

Минералокортикоиды

Нарушения гормональной функции коры надпочечников

Гормоны половых желёз

Женские половые гормоны

Действие женских половых гормонов на половые органы

Действие женских половых гормонов на неполовые органы

Мужские половые гормоны

Действие мужских половых гормонов на половые органы

Действие мужских половых гормонов на неполовые органы

Анаболические стероиды

Центральная регуляция эндокринной системы

Гормоны гипофиза

Передняя доля гипофиза

Патология

Средняя доля гипофиза

Задняя доля гипофиза

Использование гормонов в медицине

Простагландины и другие эйкозаноиды

Синтез эйкозаноидов

Простагландины

Глава 12. Биохимия гормонов

Похожие главы из других книг:

Биороль гормонов.

Рецепторы гормонов

Глава 13. Особенности действия гормонов

Глава 14. Биохимия питания

Глава 22. Метаболизм холестерола. Биохимия атеросклероза

Биохимия атеросклероза

Глава 28. Биохимия печени

Глава 30. Биохимия крови

Глава 31. Биохимия почек

Глава 33. Биохимия мышечной ткани

Биохимия мышечного утомления

Глава 34. Биохимия соединительной ткани

Глава 2 Биохимия экономики

Статус, самооценка и биохимия

Роль гормонов

Глава 9. Мембраны и биохимия

Строение биосинтез и биологическое действие гормонов

БЕЛКОВЫЕ ГОРМОНЫ

ОБЩИЕ АСПЕКТЫ БИОСИНТЕЗА БЕЛКА

СУБКЛЕТОЧНАЯ МОРФОЛОГИЯ КЛЕТОК, СЕКРЕТИРУЮЩИХ БЕЛКОВЫЕ ГОРМОНЫ

ПУТЬ БИОСИНТЕЗА

СЕКРЕЦИЯ И РЕГУЛЯЦИЯ

ТИРЕОИДНЫЕ ГОРМОНЫ

БИОСИНТЕЗ

Биосинтез тироглобулина

Захват йода

Органификация йодида

Конденсация йодаминокислот с образованием йодтиронинов

СЕКРЕЦИЯ

Морфологический путь

Регуляция секреции

Ауторегуляторные эффекты йодида.