Биохимия гормонов

Общая характеристика гормонов.

Гормоны - это биологически высокоактивные вещества, синтезирующиеся  и выделяющиеся во внутреннюю среду  организма эндокринными железами и  оказывающие регулирующее влияние  на функции удаленных от места  их секреции органов и систем организма.

Эндокринная железа - это анатомическое  образование, лишенное выводных протоков, единственной или основной функцией которого является внутренняя секреция гормонов. К эндокринным железам  относятся гипофиз, эпифиз, щитовидная железа, надпочечники (мозговое и корковое вещество), паращитовидные железы.

Поджелудочная железа и половые  железы относятся к органам со смешанным типом секреции.

Одна и та же железа внутренней секреции может продуцировать неодинаковые по своему действию гормоны. Так, например, щитовидная железа продуцирует тироксин и тирокальцитонин. В то же время продукция одних и тех же гормонов может осуществляться разными эндокринными железами. Например, половые гормоны продуцируются и половыми железами, и надпочечниками.

Традиционно неэндокринные органы: почки, желудочно-кишечный тракт, сердце также способны к синтезу биологически активных веществ. Некоторые из них синтезируются так близко к своим органам-мишеням, что могут достигать их диффузией, не попадая в кровоток. Их называют гормонами местного действия. Клетки, вырабатывающие такие вещества, называют паракринными.

Ряд биологически активных веществ  помимо гормональной функции могут  выступать как медиаторы. Реализация гормональной и медиаторной функций  определяется  местом синтеза. Например, адреналин и норадреналин. Когда рассматривается их выработка в мозговом веществе надпочечников, их обычно называют гормонами, если речь идет об их образовании и выделении симпатическими окончаниями, их называют медиаторами.

Некоторые из регуляторных гипоталамических пептидов обнаружены не только в нейронах головного мозга, но и в особых клетках других органов (например кишечника). Клетки, вырабатывающие эти пептиды, образуют согласно современным представлениям диффузную нейроэндокринную систему, состоящую из разбросанных по разным органам и тканям клеток.

Клетки этой системы характеризуются  высоким содержанием аминов, способностью к захвату предшественников аминов и наличием декарбоксилазы аминов. Отсюда название системы по первым буквам английских слов Amine Precursors Uptake and Decarboxylating system - APUD-система - система захвата предшественников аминов и их декарбоксилирования. Поэтому правомерно говорить не только об эндокринных железах, но и об эндокринной системе, которая объединяет все железы, ткани и клетки организма, выделяющие во внутреннюю среду специфические регуляторные вещества.

Классификация гормонов

Гормоны можно классифицировать, исходя из разных критериев:

По растворимости (гидрофильные и  липофильные).

По химической структуре:

1.производные аминокислот: производные  тирозина: тироксин, трийодтиронин,  дофамин, адреналин, норадреналин;

2.  белково-пептидные гормоны: 

• полипептиды: глюкагон, кортикотропин, меланотропин, вазопрессин, окситоцин, пептидные гормоны желудка и кишечника;
• простые белки (протеины): инсулин, соматотропин, пролактин, паратгормон, кальцитонин;
• сложные белки (гликопротеиды): тиреотропин, фоллитропин, лютропин.
• стероидные гормоны: кортикостероиды (альдостерон, кортизол, кортикостерон); половые гормоны: андрогены (тестостерон), эстрогены и прогестерон.

3. По механизму передачи сигнала  или по расположению  рецепторов. По этому критерию гормоны  делятся на 2 основные группы. К  первой группе относятся стероиды, иодтиронины и кальцитриол. Рецепторы  этих гормонов располагаются в цитоплазме или на ядре. Ко второй группе относятся  водорастворимые гормоны, которые взаимодействуют с рецепторами, находящимися на плазматической мембране.

4. По природе сигнала, опосредующего  гормональный внутриклеточный эффект.

5.по биологическим функциям — гормоны, регулирующие обмен углеводов, липидов и аминокислот (инсулин, глюкагон, кортизол, адреналин), регулирующие водно-солевой об прессин, альдостерон), обмен кальция (паратгормон, кальцитриол, кальцитонин), регулирующие репродуктивную функцию (эстрадиол, тестостерон, прогестерон). Тропные гормоны -либерины и статины гипоталамуса, некоторые гормоны гипофиза) регулируют синтез и других гормонов.

Несмотря на то, что гормоны имеют  разное химическое строение, для них  характерны некоторые общие биологические свойства.

Общие свойства гормонов:

1. Строгая специфичность (тропность) физиологического действия.
2. Высокая биологическая активность: гормоны оказывают свое физиологическое действие в чрезвычайно малых дозах (10^-6 - 10^-10 моль/л)
3. Дистантный характер действия: клетки-мишени располагаются обычно далеко от места образования гормона.
4. Генерализованность действия.
5. Пролонгированность действия.

Установлены четыре основных типа физиологического действия на организм: кинетическое, или пусковое, вызывающее определенную деятельность исполнительных органов; метаболическое (изменения обмена веществ); морфогенетическое (дифференциация тканей и органов, действие на рост, стимуляция формообразовательного процесса); корригирующее (изменение интенсивности функций органов и тканей).

Метаболическое действие гормонов осуществляется различными путями, среди которых наиболее важными являются следующие: 1.повышение или угнетение активности ферментов; 2. изменение проницаемости клеточных мембран; 3.   регуляция ими биосинтетических и энергетических процессов.

Гормональный эффект опосредован следующими основными  этапами: синтезом и поступлением в кровь, формами транспорта, клеточными механизмами действия гормонов.

Транспорт гормонов

От места секреции гормоны доставляются к органам-мишеням циркулирующими жидкостями: кровью, лимфой. Транспорт гормонов определяется их растворимостью. Гормоны, имеющие гидрофильную природу (например, белково-пептидные гормоны) обычно транспортируются кровью в свободном виде. Стероидные гормоны, йодсодержащие гормоны щитовидной железы транспортируются в виде комплексов с белками плазмы крови. Это могут быть специфические транспортные белки (транспортные низкомолекулярные глобулины, тироксинсвязывающий белок; транспортирующий кортикостероиды белок транскортин),  неспецифический транспорт (альбумины),  а также в адсорбированном состоянии на форменных элементах крови.

Биологическая активность определяется содержанием свободных форм гормонов. Связанные формы гормонов являются как бы депо, физиологическим резервом, из которого гормоны переходят в активную свободную форму по мере необходимости.

Обязательным условием для проявления эффектов гормона является его взаимодействие с рецепторами. Для гормональных рецепторов характерно: 1) высокое сродство к гормону; 2) высокая избирательность; 3) ограниченная связывающая емкость; 4) специфичность локализации рецепторов в тканях. На одной и той же мембране клетки могут располагаться десятки разных типов рецепторов.

Количество функционально активных рецепторов может изменяться при различных состояниях и в патологии. Так, например при беременности в миометрии исчезают М-холинорецепторы, и возрастает количество окситоциновых рецепторов. При некоторых формах сахарного диабета имеет место функциональная недостаточность инсулярного аппарата, т.е. уровень инсулина в крови высокий, но часть инсулиновых рецепторов связана с аутоантителами к этим рецепторам не  работает.

Количество рецепторов, участвующих  в связывании гормонов, - несколько  тысяч  на клетку. Рецепторы способны к узнаванию и селекции гормонов. Гормон-рецепторное взаимодействие характеризуется высоким сродством и специфичностью, обратимостью и генерацией сигнала (трансдукцией сигнала) и зависит от температуры и рН. 

Механизмы действия гормонов. Существуют два основных механизма действия гормонов на уровне клетки: реализация эффекта с наружной поверхности клеточной мембраны и реализация эффекта после проникновения гормона внутрь клетки.

Биологический эффект гормонов, взаимодействующих  с рецепторами, локализованными на плазматической мембране, осуществляется с участием вторичного передатчика, называемого посредником или мессенджером.

В зависимости от того, какое вещество выполняет его функцию, гормоны  можно разделить на следующие  группы:

1) гормоны, оказывающие биологический  эффект с участием циклического  аденозинмонофосфата (цАМФ). К ним  относятся глюкагон, лютеинизирующий  гормон, фолликулостимулирующий гормон, тиростимулирующий гормон, кальцитонин,  паратиреоидный гормон, антидиуретический гормон, адреналин, норадреналин;

2) гормоны, осуществляющие свое  действие с участием циклического  гуанидинмонофосфата (цГМФ); оксид  азота

3) гормоны, опосредующие свое  действие с участием в качестве  внутриклеточного вторичного мессенджера  ионизированного кальция или фосфатидилинозитидов (инозитолтрифосфат и диацилглицерин) или обоих соединений; К ним относятся антидиуретический гормон, адреналин, норадреналин, ангиотензин II, гонадотропин-рилизинг гормон или люлиберин, тиролиберин

4) гормоны, оказывающие свое действие путем стимулирования каскада киназ и фосфатаз.

К ним относятся инсулин, пролактин, эритропоэтин

Но это деление очень условно. В зависимости от типа рецептора  один и тот же гормон может передавать сигнал через различные мессенжеры. Например, при взаимодействии адреналина  с b_{2 –} рецептором в передаче сигнала участвует цАМФ. При взаимодействии адреналина  с a_{1 –} рецептором в передаче сигнала участвует ионизированный кальций и фосфатидилинозитиды. 

Катаболизм гормонов

Белково-пептидные гормоны подвергаются протеолизу, распадаются до отдельных аминокислот. Эти аминокислоты вступают дальше в реакции дезаминирования, декарбоксилирования, трансаминирования и распадаются до  конечных продуктов: NH₃, CO₂ и Н₂О.

Гормоны - производные аминокислот  подвергаются окислительному дезаминированию и дальнейшему окислению до СО₂ и Н₂О. Стероидные гормоны распадаются иначе. В организме нет ферментных систем, которые обеспечивали бы их распад.  Поэтому в основном происходит модификация боковых радикалов. Вводятся дополнительные гидроксильные группы. Гормоны становятся более гидрофильными. Образуются молекулы, представляющие собой структуру стерана, у которого в 17-м положении находится кетогруппа. В таком виде продукты катаболизма стероидных половых гормонов выводятся с мочой и называются 17-кетостероиды.

Инактивация гормонов происходит в эффекторных органах, в основном в печени.

Гормоны выполняют в  организме следующие важные функции:

1. Регуляция роста, развития и дифференцировки тканей и органов, что определяет физическое, половое и умственное развитие.
2. Обеспечение адаптации организма к меняющимся условиям существования.
3. Обеспечение поддержания гомеостаза.

Виды взаимодействия гормонов. Каждый гормон не работает в одиночку. Поэтому необходимо учитывать возможные результаты их взаимодействия.

Синергизм - однонаправленное действие двух или нескольких гормонов. Например, адреналин и глюкагон активируют распад гликогена печени до глюкозы и вызывают увеличение уровня сахара в крови.

Антагонизм всегда относителен. Например, инсулин и адреналин оказывают противоположные действия на уровень глюкозы в крови. Инсулин вызывает гипогликемию, адреналин - гипергликемию. Биологическое же значение этих эффектов сводится к одному - улучшению углеводного питания тканей.

Пермиссивное действие гормонов заключается в том, что гормон, сам не вызывая физиологического эффекта, создает условия для ответной реакции клетки или органа на действие другого гормона. Например, глюкокортикоиды, не влияя на тонус мускулатуры сосудов и распад гликогена печени, создают условия, при которых даже небольшие концентрации адреналина увеличивают артериальное давление и вызывают гипергликемию в результате гликогенолиза в печени

Общая характеристика иерархических  систем нейрогуморальной регуляции

В поддержании физиологического уровня гормонов в крови участвует целый ряд механизмов гомеостаза, обеспечивающих точный обмен сигналами между гормон-секретирующей железой и тканью-мишенью, причем нередко это осуществляется при посредничестве одной или нескольких других эндокринных желез. Наиболее часто встречается механизм регуляции, основанный на отрицательной обратной связи. В особенности это свойственно системе   гипоталамус — гипофиз — железа-мишень.

Секреция всех гормонов передней доли гипофиза (соматотропина, тиротропина, кортикотропина, фоллитропина, лютропина, пролактина) находится под контролем веществ пептидной природы, образующихся в гипоталамусе и способных усиливать или уменьшать образование тропных гормонов гипофиза.

Гипоталамус — область головного мозга, примыкающая к гипофизу. Именно в гипоталамусе происходит «переключение» нервных импульсов на гуморальные.

К настоящему времени из гипоталамуса выделено несколько рилизинг-гормонов, или, как их еще иначе называют, либеринов: тиреотропин-рилизинг-гормон (тиролиберин, сокращенно ТРГ), гонадотропин-рилизинг-гормон (люлиберин), гормон, стимулирующий выработку кортикотропного гормона, — кортикотропин-рилизинг-гормон (кортиколиберин), гормон, вызывающий секрецию пролактина (пролактолиберин), меланоцит-освобождающий гормон и др.