Биологически активные вещества: гормоны и витамины

 

Биологически активные вещества: гормоны и витамины

Cложный и многоуровневый процесс регуляции обмена веществ в организме осуществляется при участии нервной и эндокринной систем. Это происходит как на уровне клетки и отдельных ее органел, так и на физиологическом уровне, где задействованы центральные и периферические звенья регуляции. Такая сложная система и обеспечивает поддержание гомеостаза организма. С точки зрения биохимии важно рассмотреть молекулярные механизмы этой регуляции, т.е. что происходит на уровне отдельных клеточных молекул, как меняются направления и скорости химических реакций, а самое главное, какие вещества за это ответственны.

Нами будут рассмотрены  два больших класса биологически активных веществ: гормоны и витамины. Представители каждого из классов  определенным образом оказывают  регулирующее влияние на процессы метаболизма, они разные по своей химической природе  и по механизмам действия, но чрезвычайно  необходимы для нормальной жизнедеятельности как целого организма, так и отдельных его клеток. Существенная разница состоит в том, что витамины поступают в организм из вне, а гормоны синтезируются внутри организма клетками специальных органов - желез внутренней секреции или специализированными секреторными клетками других органов.

Гормоны

Гормоны - от герческого (hormaino - побуждаю) - БАВ, выделяемые  железами внутренней секреции в кровь или лимфу и оказывающие регуляторное влияние на метаболизм других клеток.

Основными их свойствами являются следующие:

1.      действие  на расстоянии от места продукции;

2.      специфичность  действия - эффект каждого из них  не адекватен эффекту другого  гормона;

3.      высокая  скорость образования и инактивации,  с чем и связана кратковременность их действия;

4.      высокая  биологическая активность - нужный  эффект достигается при очень  малой концентрации вещества;

5.      роль  посредника (месенджера) в передаче информации от нервной системы к клетке.

Помимо гормонов известны еще гормоноиды или гормоноподобные вещества. Они синтезируются не железами внутренней секреции, а клетками желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), тучными клетками соединительной ткани, клетками почек и т.д. Их особенность - они не секретируются в кровь, а действуют в месте образования (т.е. не соответствуют п. 1).

Номенклатура построена  на том, что название отражает орган-продуцент  или функцию гормона.

Классифицируют гормоны  по химической природе и строению:

Белковой природы

1.         Белково-пептидные:

а)    протеины (пролактин, гормон роста, инсулин);

б)    протеиды (фолликулостимулирующий, лютеинизирующий, тиреотропный);

в)    пептиды (АКТГ, глюкагон, кальцитонин, вазопрессин, окситоцин эндорфины).

2.    Производные  аминокислот: тироксин, мелатонин,  сератонин, катехоламины.

Стероидной природы : кортикостероиды и половые гормоны.

Механизм действия гормонов

Гормоны действуют  на органы избирательно, это объясняется  тем, что клетки определенных органов  содержат специальные образования - рецепторы. Органы или клетки, на которые  действует конкретный гормон, называют органами-мишенями или клетками-мишенями. Рецепторы - это очень большие  по молекулярной массе гликопротеины, которые встроены в клеточные  мембраны. Их специфичность обусловлена  углеводным компонентом белка, в  составе мембраны, или углеводным компонентом липидного бислоя мембраны.

Существует три  типа реализации гормонального действия.

1)          Мембранный тип. При взаимодействии  гормона с клеточной мембраной  изменяется ее проницаемость  для определенных веществ. Так  под действием инсулина активируются  системы транспорта глюкозы и она начинает активно проникать в клетку. Обычно такой тип действия сочетается с мембранно-клеточным.

2)          При мембранно-клеточном типе  гормон не проникая в клетку, а влияет на ее обмен через своего посредника (вторичного мессенджера, первичный - сам гормон). Существует ряд вторичных мессенджеров, среди которых циклические формы АМФ (Рис. 5), ГМФ (Рис. 6). Передача информации осуществляется следующим образом: гормон связывается с рецептором на поверхности клетки, комплекс гормон-рецептор взаимодействует с сопрягающим белком в толще цитоплазмы, конфигурация белка меняется и это активирует превращение цГДФ в ГТФ (т.е. фосфорилирование), ГТФ активирует каталитический белок уже внутри клетки (аденилатциклазу), которая активирует образование цАМФ, что активирует киназы, которые катализируют фосфорилирование разных клеточных белков, это сопровождается изменением их функциональной активности и реализацией эффекта.

Помимо циклических  нуклеотидов вторичным мессенджером является кальций. Гормон связывается с рецептором на поверхности клетки, это ведет к изменению активности фермента Са-АТФ-азы (откачивает кальций из клетки с использованием АТФ), ионы кальция поступают в цитоплазму клетки и образуют комплекс со специальным белком - кальмодулином этот комплекс регулирует активность клеточных ферментов.

3)          Цитозольный механизм (или ядерный) свойственен липофильным белкам - стероидам. Они проникают через клеточную мембрану в цитозоль и соединяются с внутриклеточными рецепторами. Комплекс гормон-рецептор проникает в ядро клетки, где избирательно влияет на активность генома, это приводит к снижению или активации синтеза определенных ферментов, что приводит к изменению скорости или направления определенных реакций.

4)          Смешанный тип - присущ йодтиронинам (гормонам щитовидной железы).

Гормоны гипоталамо-гипофизарной системы

В гипоталамических ядрах секретируются регуляторные гормоны, которые поступают в  аденогипофиз, где меняется продукция гипофизальных гормонов. Пример: кортиколиберин - активирует синтез АКТГ в гипофизе, пролактостатин - ингибирует синтез пролактина. Либерины - стимуляторы синтеза гормонов гипофиза, статины - ингибиторы. По химической природе это олигопептиды.

В гипофизе (под регуляцией гипоталамуса) образуются тропные гормоны, которые контролируют функцию периферических желез. В аденогипофизе:

Тиреотропный гормон - гликопротеид, работает по мембранно-клеточному механизму в клетках щитовидной железы (вторичный мессенджер - цАМФ) и в клетках жировой ткани (ускоряет процесс липолиза).

АКТГ (аденокортикотропный гормон) - полипептид из 39 АК. Работает по мембранно-клеточному механизму в клетках коры надпочечников, там он стимулирует реакцию гидроксилирования холистерина, в результате которой образуются кортикостероиды. Кроме того активирует липолиз в жировой ткани.

Гонадотропные гормоны - фолликулостимулирующий - гликопротеид, состоящий из двух субъединиц, лютеинизирующий - также гликопротеид, пролактин - простой белок.

Гормон роста - простой  белок. Он стимулирует синтез РНК  и белков (анаболическое действие), повышает уровень глюкозы в крови, стимулирует образование гликогена, повышает уровень высших жирных кислот, и оказывает еще ряд физиологических  эффектов.

Липотропины a и b - два близких по АК набору белка. Активируют липолиз в клетках жировой ткани. b - липотропин предшественник эндорфинов (опиатоподобные эффекты).

Нейрогипофиз секретирует:

Вазопрессин - нонапептид, эффект реализуется по  мембранно-клеточному механизму, активируется гиалуронидаза, что приводит к расщеплению гиалуроновой кислоты и в результате увеличивается проиницаемость канальцевого эпителия почек. (Рис. 7)

Окситоцин - нонапептид как и вазопрессин, действует по  мембранно-клеточному механизму (Рис. 8). И еще ряд гормонов.

Шишковидная железа (эпифиз)

В ней синтезируется  производное АК триптофана - мелатонин. Синтез его тормозится на свету (через зрительный тракт).

Щитовидная железа

Тироксин  и трийодтиронин поступают в кровь и транспортируются тироксинсвязывающими белками (альбуминами и преальбуминами). Свободного гормона не более 0,3%. Разрушаются гормоны в печени в результате образования конъюгатов с глюкуроновой и серной кислотами, при этом высвобождается йод. Эффекты реализуются по мембранно-внутриклеточному и цитозольному типам. Калоригенный эффект проявляется повышением потребления кислорода и повышенным образованием тепла (это обусловлено разобщением клеточного дыхания и окислительного фосфорилирования) кроме того активируется АТФ - зависимое выкачивание натрия из клеток, на которое тратится 25-40% всей энергии АТФ. Еще один важный эффект этих гормонов - стимуляции отдельных этапов синтеза белка.

Паращитовидные железы

Паратгормон - одиночная полипептидная цепь. Скорость секреции его зависит от концентрации ионов кальция в сыворотке крови: повышение концентрации снижает секрецию. Действует по мембранно-внутриклеточному механизму.

Кальцитонин - одоцепочечный полипептид (32 АК). Повышение концентраци ионов кальция активирует секркцию гормона.. Действует изменяя активность кальциевого насоса (через калцийзависимую АТФ-азу). Действие этих двух гормонов тесно связано с витамином Д.

Надпочечники

В мозговом слое продуцируются  два катехоламина  - адреналин  и норадреналин. Их образование включает следующие этапы: тирозин (АК) - диоксифенилаланин (ДОФА) - диоксифенилэтиламин (дофамин) - норадреналин - адреналин. Эффекты реализуются по мембранно-внутриклеточному типу. В печени и мышцах активируют гликогенолиз (распад гликогена) это приводит к увеличению концентрации глюкозы и накоплению лактата. Стимулируют липолиз, в следствии чего в кровоток высвобождаются жирные кислоты.

Корковый слой продуцирует  около 30 стероидных гормонов, содержащих 19 или 21 атом углерода. Различают три группы стероидов:  глюкокортикоиды - преимущественно влияют на углеводный обмен, минералокортикоиды - на минерально-водный и половые гормоны (андрогены и эстрогены). Кортикостероиды синтезируются на основе холестерола. Важный этап этого процесса - гидроксилирование - катализирует цх Р-450, а кофермент - НАДФН. Транспортируются гормоны специфическим a-глобулином (транспортином). Эффект реализуется по цитозольному типу, через изменение скорости продукции специфических белков в клетках-мишенях. В результате в печени увеличивается гликогенез (синтез гликогена) и глюконеогенез (образование глюкозы) из АК в связи с повышением активности аминотрансфераз, пируваткарбоксилазы, гликогенсинтетазы и глюкозо-6-фосфотазы.

Интенсивный синтез белков в печени сопровождается торможением  синтеза белков в мышцах, активацией расщепления белков в лимфоидной ткани. В них снижается уровень  свободных АК и теряется белковый азот, увеличивается синтез мочевины и развивается отрицательный  азотистый баланс. При длительных воздействиях кортикостероидов развивается  атрофия мышц. Подавляя белковый синтез в лимфоидной ткани, кортекостероиды препятствуют образованию антител (которые являются белками), участвующих в формировании аллергической ответной реакции организма. Т.е. Кортикостероиды таким путем снижают интенсивность аллергических реакций.  Кроме того эти гормоны активируют синтез липидов.

Альдостерон - минералокортикоид. Это липофильное соединение, которое проникает в цитоплазму клеток (цитозотльный тип) и активирует транскирипцию генов, содержащих информацию о структуре натрий-транспортных белков эпителия канальцев почек. Синтез в клетках таких белков приводит к усиленному переносу ионов натрия из первичной мочи обратно в кровь.

Поджелудочная железа

Инсулин - глобулярный  белок, синтезируется в виде предшественника, затем  активируется. Мишенями инсулина (т.е. где есть рецепторы) являются мышечная, соединительная и жировая ткани. Мало рецепторов содержат гепатоциты и совсем нет у нервных клеток. Эффект реализуется по мембранному типу. Кроме того существует еще и мембранно-внутриклеточные эффекты при участии цГМФ и цАМФ. В совокупности инсулин активирует:  транспорт в клетку глюкозы, АК, ионов калия и кальция, превращение глюкозы по основному пути, синтез гликогена и триацилглицеридов. Инсулин тормозит: расщепление гликогена (гликогенолиз) и образование глюкозы (глюконеогенез), расщепление жиров, образование кетоновых тел и синтез холестерола, протеолиз, обмен АК и образование мочевины.

Глюкагон - образуется в виде предшественника. Действует  по мембранно-внутриклеточному типу. Мишень - гепатоциты, миоциты и жировая ткань. Гормон повышает концентрацию глюкозы в крови за счет расщепления гликогена, угнетения синтеза белка, активации распада белка и липидов. Т.е. глюкагон - антагонист  инсулина.

Гормоны половых  желез

Эстрогены - женские  половые гормоны, продуцируются  яичниками и в ограниченном количестве надпочечниками. Стероидной природы, эффекты реализуются по цитозольному механизму.

Гестогены - гормоны желтого тела. Важнейший - прогестерон, который синтезируется также плацентой и надпочечниками. Механизм действия - цитозольный, мишени: эндометрий, плацента, молочные железы.