Гормоны и механизм их действия. Регулирование жизненных функций организма

Действие гормонов основано на стимуляции или угнетении каталитической функции некоторых ферментов в клетках органов-мишеней. Это действие может достигаться путем активации или ингибирования уже имеющихся ферментов. Причем важная роль принадлежит циклическому аденозинмонофосфату (цАМФ), который является здесь вторичным посредником (роль первичного

посредника выполняет сам гормон). Возможно также увеличение концентрации ферментов за счет ускорения их биосинтеза путем активации генов.

Механизм действия гормонов пептидной и стероидной природы различен. Амины и пептидные гормоны не проникают внутрь клетки, а присоединяются на ее поверхности к специфическим рецепторам в клеточной мембране. Рецептор связан с ферментом аденилатциклазой. Комплекс гормона с рецептором активирует аденилатциклазу, которая расщепляет АТФ с образованием цАМФ. Действие цАМФ реализуется через сложную цепь реакций, ведущую к активации определенных ферментов путем их фосфорилирования, они и осуществляют конечный эффект гормона (рис. 2.3).

Рис. 2.4 Механизм действия стероидных гормонов I - гормон проникает в клетку и связывается с рецептором в цитоплазме; II - рецептор транспортирует гормон в ядро; III - гормон обратимо взаимодействует с ДНК хромосом; IV - гормон активирует ген, на котором образуется матричная (информационная) РНК (мРНК); V- мРНК выходит из ядра и инициирует синтез белка (обычно фермента) на рибосомах; фермент реализует конечный гормональный эффект; 1 - клеточная мембрана, 2 - гормон, 3 - рецептор, 4 - ядерная мембрана, 5 - ДНК, 6 - мРНК, 7 - рибосома, 8 - синтез белка (фермента).

Стероидные гормоны, а также Тз и Т 4 (тироксин и трийодтиронин) растворимы в жирах, поэтому они проникают через клеточную мембрану. Гормон связывается с рецептором в цитоплазме. Образовавшийся гормон-рецепторный комплекс транспортируется в ядро клетки, где вступает в обратимое взаимодействие с ДНК и индуцирует синтез белка (фермента) или нескольких белков. Путем включения специфических генов на определенном участке ДНК одной из хромосом синтезируется матричная (информационная) РНК (мРНК), которая переходит из ядра в цитоплазму, присоединяется к рибосомам и индуцирует здесь синтез белка (рис. 2.4).

В отличие от пептидов, активирующих ферменты, стероидные гормоны вызывают синтез новых ферментных молекул. В связи с этим эффекты стероидных гормонов проявляются намного медленнее, чем действие пептидных гормонов, но длятся обычно дольше.

2.2.5. Классификация гормонов

На основании функциональных критериев различают три группы гормонов: 1) гормоны, которые оказывают влияние непосредственно на орган-мишень; эти гормоны называются эффекторнымщ 2) гормоны, основной функцией которых является регуляция синтеза и выделения эффекторных гормонов;

эти гормоны называют тропнымщ 3) гормоны, вырабатываемые нервными клетками и регулирующие синтез и выделение гормонов аденогипофиза; эти гормоны называются рилизинг-гормонами, или либеринами, если они стимулируют эти процессы, или ингибирующими гормонами, статинами, если они обладают противоположным действием. Тесная связь между ЦНС и эндокринной системой осуществляется в основном с помощью этих гормонов.

В сложной системе гормональной регуляции организма различают более или менее длинные цепи регуляции. Основная линия взаимодействий: ЦНС → гипоталамус → гипофиз → периферические эндокринные железы. Все элементы этой системы объединены обратными связями. Функция части эндокринных желез не находится под регулирующим влиянием гормонов аденогипофиза (например, паращитовидные железы, поджелудочная железа и др.).

Гормоны, секретируемые железами внутренней секреции, связываются с транспортными белками плазмы или в некоторых случаях адсорбируются на клетках крови и доставляются к органам и тканям, влияя на их функцию и обмен веществ. Некоторые органы и ткани обладают очень высокой чувствительностью к гормонам, поэтому их называют органами-мишенями илитканями –мишенями. Гормоны влияют буквально на все стороны обмена веществ, функции и структуры в организме.

Согласно современным представлениям, действие гормонов основано на стимуляции или угнетении каталитической функции определенных ферментов. Этот эффект достигается посредством активации или ингибирования уже имеющихся ферментов в клетках за счет ускорения их синтеза путём активации генов. Гормоны могут увеличивать или уменьшать проницаемость клеточных и субклеточных мембран для ферментов и других биологически активных веществ, благодаря чему облегчается или тормозится действие фермента.

Различают следующие типы механизма действия гормонов: мембранный, мембранно-внутриклеточный и внутриклеточный (цитозольный).

Мембранный механизм . Гормон связывается с клеточной мембраной и в месте связывания изменяет её проницаемость для глюкозы, аминокислот и некоторых ионов. В этом случае гормон выступает как эффектор транспортных средств мембраны. Такое действие оказывает инсулин, изменяя транспорт глюкозы. Но этот тип транспорта гормонов редко встречается в изолированном виде. Инсулин, например, обладает как мембранным, так и мембранно-внутриклеточным механизмом действия.

Мембранно-внутриклеточный механизм . По мембранно-внутриклеточному типу действуют гормоны, которые не проникают в клетку и поэтому влияют на обмен веществ через внутриклеточного химического посредника. К ним относят белково-пептидные гормоны (гормоны гипоталамуса, гипофиза, поджелудочной и паращитовидной желез, тиреокальцитонин щитовидной железы); производные аминокислот (гормоны мозгового слоя надпочечников – адреналин и норадреналин, щитовидной железы – тироксин, трийодтиронин).

Функции внутриклеточных химических посредников гормонов выполняют циклические нуклеотиды – циклический 3׳ ,5׳ – аденозинмонофосфат (цАМФ) и циклический 3׳ ,5׳ – гуанозинмонофосфат (цГМФ), ионы кальция.

Гормоны влияют на образование циклических нуклеотидов: цАМФ – через аденилатциклазу, цГМФ – через гуанилатциклазу.

Аденилатциклаза встроена в мембрану клетки и состоит из 3-х взаимосвязанных частей: рецепторной (R), представленной набором мембранных рецепторов, находящихся снаружи мембраны, сопрягающей (N), представленной особымN–белком, расположенным в липидном слое мембраны, и каталитической (C), являющейся ферментным белком, то есть собственно аденилатциклазой, которая превращает АТФ (аденозинтрифосфат) в цАМФ.

Аденилатциклаза работает по слудующей схеме. Как только гормон связывается с рецептором (R) и образуется комплекс гормон- рецептор, происходит образовагние комплексаN– белок – ГТФ (гуанозинтрифосфат), который активирует каталитическую (С) часть аденилатцеклазы. Активация аденилатциклазы приводит к образованию цАМФ внутри клетки на внутренней поверхности мембраны из АТФ.

Даже одна молекула гормона, связавшегося с рецептором, заставляет работать аденилатцеклазу. При этом на одну молекулу связавшегося гормона образуется 10-100 молекул цАМФ внутри клетки. В активном состоянии аденилатциклаза находится до тех пор, пока существует комплекс гормон – рецептор. Аналогичным образом работает и гуанилатциклаза.

В цитоплазме клетки находятся неактивные протеинкиназы. Циклические нуклеотиды- цАМФ ицГМФ- активируют пртеинкиназы. Существуют цАМФ- зависимые и цГМФ – зависимые протеинкиназы, которые активируются своим циклическим нуклеотидом. В зависимости от мембранного рецептора, связывающего определенный гормон, включается или аденилатцеклаза, или гуанилатцеклазаи соответственно происходит образование или цАМФ, или цГМФ.

Через цАМФ действует большинство гормонов, а через цГМФ- только окситоцин, тиреокальцитонин, инсулин и адреналин.

При помощи активированных протеинкиназ осуществляется два вида регуляции активности ферментов: активация уже имеющихся ферментов путем ковалентной модификации, то есть фосфолированием; изменение количества ферментного белка за счет изменения скорости его биосинтеза.

Влияние циклических нуклеотидов на биохимические процессы прекращается под влиянием специального фермента- фосфодиэстеразы, разрушающей цАМФ и цГМФ. Другой фермент – фосфопротеидфосфаза – разрушает результат действия протеинкиназы, то есть отщепляет фосфорную кислоту от ферментных белков, в результате чего они становятся неактивными.

Внутри клетки ионов кальция содержится очень мало, вне клетки их больше. Они пступают из внеклеточной среды по кальциевым каналам в мембране. В клетке кальций взаимодействует с кальцийсвязывающим белком калмодулином (КМ). Этот комплекс изменяет активность ферментов, что ведет к изменению физиологический функций клеток. Через ионы кальция действуют гормоны окситоцин, инсулин, простагландин F 2α. Таким образом, чувствительность тканей и органов к гормонам зависит от мембранных рецепторов, а специфическое регуляторное влияние их определяется внутриклеточным посредником.

Внутриклеточный (цитозольный) механизм действия . Он характерен для стероидных гармонов (кортикостероидов, половых гормонов – андрогенов, эстрогенов и гестагенов). Стероидгные гормоны взаимодействуют с рецепторами, находящимися в цитоплазме. Образовавшийся гормнон-рецепторный комплекс переносится в ядро и действует непосредственно на геном, стимулируя или угнетая его активность, т.е. действует на синтез ДНК, изменяя скорость транскрипции и количество инфармационной (матричной) РНК (мРНК). Увеличение или уменьшение количества мРНК влияет на синтез белка в процессе трансляции, что приводит к изменению функциональной активности клетки.

4 основные системы регуляции метаболизма: Центральная нервная система (за счет передачи сигналов посредством нервных импульсов и нейромедиаторов); Эндокринная система (с помощью гормонов, которые синтезируются в железах и транспортируются к клеткам-мишеням (на рис. А); Паракринная и аутокринная системы (при участии сигнальных молекул, секретируемых из клеток в межклеточное пространство — эйкозаноидов, гистаминов, гормонов ЖКТ, цитокинов) (на рис. Б и В); Иммунная система (посредством специфических белков – антител, Т-рецепторов, белков комплекса гистосовместимости.) Все уровни регуляции интегрированы и действуют как единое целое.

Эндокринная система регулирует обмен веществ посредством гормонов. Гормоны (др. -греч. ὁρμάω - возбуждаю, побуждаю) — — биологически активные органические соединения, которые вырабатываются в незначительных количествах в железах внутренней секреции, осуществляют гуморальную регуляцию обмена веществ и имеют различную химическую структуру.

Классическим гормонам присущ ряд признаков: Дистантность действия – синтез в железах внутренней секреции, а регуляция отдаленных тканей Избирательность действия Строгая специфичность действия Кратковременность действия Действуют в очень низких концентрациях, под контролем ЦНС и регуляция их действия осуществляется в большинстве случаев по типу обратной связи Действуют опосредованно через белковые рецепторы и ферментативные системы

Организация нервно-гормональной регуляции Существует строгая иерархия или соподчиненность гормонов. Поддержание уровня гормонов в организме в большинстве случаев обеспечивает механизм отрицательной обратной связи.

Регуляция уровня гормонов в организме Изменение концентрации метаболитов в клетках-мишенях по механизму отрицательной обратной связи подавляет синтез гормонов, действуя либо на эндокринные железы, либо на гипоталамус. Существуют эндокринные железы для которых отсутствует регуляция тропными гормонами – паращитовидная железа, мозговое вещество надпочечников, ренин-альдостероновая система и поджелудочная железа. Они контролируются нервными влияниями или концентрацией определенных веществ в крови.

Классификация гормонов по биологическим функциям; по механизму действия; по химическому строению; различают 4 группы: 1. Белково-пептидные 2. Гормоны-производные аминокислот 3. Гормоны стероидной природы 4. Эйкозаноиды

1. Белково — пептидные гормоны Гормоны гипоталамуса; гормоны гипофиза; гормоны поджелудочной железы — инсулин, глюкагон; гормоны щитовидной и паращитовидной желез – соответственно кальцитонин и паратгормон. Вырабатываются в основном путем прицельного протеолиза. У гормонов короткое время жизни, имеют от 3 до 250 АМК остатков.

Главный анаболический гормон – инсулин, главный катаболический гормон — глюкагон

Некоторые представители белково — пептидных гормонов: тиролиберина (пироглу-гис-про- NN НН 22), инсулина и соматостатина.

2. Гормоны — производные аминокислот Являются производными аминокислоты — тирозина. К ним относятся гормоны щитовидной железы — трийодтиронин ((II 33) и тироксин (II 44), а а также — адреналин и норадреналин – катехоламины.

3. Гормоны стероидной природы Синтезируются из холестерина (на рис.) Гормоны коркового вещества надпочечников – кортикостероиды (кортизол, кортикостерон) Гормоны коркового вещества надпочечников – минералокортикоиды (андостерон) Половые гормоны: андрогены (19 «С») и эстрогены (18 «С»)

Эйкозаноиды Предшественником всех эйкозаноидов является арахидоновая кислота. Они делятся на 3 группы – простагландины, лейкотриены, тромбоксаны. Эйказоноиды — медиаторы (локальные гормоны) - широко распространенная группа сигнальных веществ, которые образуются почти во всех клетках организма и и имеют небольшую дальность действия. Этим они отличаются от классических гормонов, синтезирующихся в специальных клетках желез внутренней секреции. .

Характеристика разных групп эйказоноидов Простагландины (Pg)- синтезируются практически во всех клетках, кроме эритроцитов и лимфоцитов. Выделяют такие типы простагландинов A, B, C, D, E, F. Функции простагландинов сводятся к изменению тонуса гладких мышц бронхов, мочеполовой и сосудистой систем, желудочно-кишечного тракта, при этом направленность изменений различна в зависимости от типа простагландинов и условий. Они также влияют на температуру тела. Простациклины являются подвидом простагландинов (Pg I), но дополнительно обладают особой функцией- ингибируют агрегацию тромбоцитов и обусловливают вазодилатацию. Особенно активно синтезируются в эндотелии сосудов миокарда, матки, слизистой желудка. .

Тромбоксаны и лейкотриены Тромбоксаны (Tx) образуются в тромбоцитах, стимулируют их агрегацию и вызывают сужение мелких сосудов. Лейкотриены (Lt) активно синтезируются в лейкоцитах, в клетках лёгких, селезёнки, мозга, сердца. Выделяют 6 типов лейкотриенов: A, B, C, D, E, F. В лейкоцитах они стимулируют подвижность, хемотаксис и миграцию клеток в очаг воспаления. Также вызывают сокращение мускулатуры бронхов в дозах в 100- 1000 раз меньших, чем гистамин.

Взаимодействие гормонов с рецепторами клеток-мишеней Для проявления биологической активности связывание гормонов с рецепторами должно приводить к образованию сигнала, который вызывает биологический ответ. Например: щитовидная железа – мишень для тиротропина, под действием которого увеличивается количество ацинарных клеток, повышается скорость синтеза тиреоидных гормонов. Клетки-мишени отличают соответсвующий гормон, благодаря наличию соответствующего рецептора.

Общая характеристика рецепторов Рецепторы могут находится: — на поверхности клеточной мембраны — внутри клетки – в цитозоле или в ядре. Рецепторы – это белки, могут состоять из нескольких доменов. Мембранные рецепторы имеют домен узнавания и связывания с гормоном, трансмембранный и цитоплазматический домены. Внутриклеточные (ядерные) – домены связывания с гормоном, с ДНК и с белками, регулирующие трансдукцию.

Основные этапы передачи гормонального сигнала: через мембранные (гидрофобные) и и внутриклеточн ые ые (гидрофильные) рецепторы. Это быстрый и медленный пути.

Гормональный сигнал меняет скорость метаболических процессов ответ путем: — изменение активности ферментов — изменение количества ферментов. По механизму действия различают гормоны: — взаимодействующие с мембранными рецепторами (пептидные гормоны, адреналин, эйкозаноиды) и — взаимодействующие с внутриклеточными рецепторами (стероидные и тиреодные гормоны)

Передача гормонального сигнала через внутриклеточные рецепторы для стероидных гормонов (гормоны коры надпочечников и половые гормоны), тиреодных гормонов (Т 3 и Т 4). Медленный тип передачи.

Передача гормонального сигнала через мембранные рецепторы Передача информации от первичного посредника гормона осуществляется через рецептор. Этот сигнал рецепторы трансформируют в изменение концентрации вторичных посредников, получивших название вторичных мессенджеров. Сопряжение рецептора с эффекторной системой осуществляется через GG –белок. Общим механизмом, посредством которого реализуются биологические эффекты является процесс «фосфорилирования – дефосфорилирования ферментов» Существуют разные механизмы передачи гормонального сигналы через мембранные рецепторы – аденилатциклазная, гуанилатциклазная, инозитолфосфатная системы и другие.

Сигнал от гормона трансформируется в изменении концентрации вторичных посредников – ц. АМФ, ц. ГТФ, ИФ 3, ДАГ, СА 2+, NO.

Самая распространенная система передача гормонального сигнала через мембранные рецепторы – аденилатциклазная система. Комплекс гормон-рецептор связан с G – белком, который имеет 3 субъединицы (α , β и γ). В отсутствии гормона α — субъединица связана с ГТФ и аденилатциклазой. Комплекс гормон-рецептор приводит к отщеплению димера βγ от α ГТФ. Субъединица α ГТФ активирует аденилатциклазу, катализирующую образование циклической АМФ (ц. АМФ). ц. АМФ активирует протеинкиназу А(ПКА), фосфорилируюшую ферменты, которые меняют скорость метаболических процессов. Протеинкиназы различают А, В, С и др.

Адреналин и глюкагон через аденилатциклазную систему передачи гормонального сигнала активируют гормонзависимую ТАГ-липазу адипоцитов. Происходит при напряжении организма (голодании, длительной мышечной работе, охлаждении). Инсулин блокирует этот процесс. Протеинкиназа А фосфорилирует ТАГ-липазу и активирует ее. ТАГ-липаза отщепляет от от триацилглицеролов жирные кислоты с образованием глицерола. Жирные кислоты окисляются и обеспечивают организм энергией.

Передача сигнала с адренорецепторов. АС – аденилатциклаза, Pk. A – протеинкиназа А, Pk. C – протеинкиназа С, Фл. С – фосфолипаза С, Фл. А 2 – фосфолипаза А 2, Фл. D – фосфолипаза D, ФХ – фосфатидилхолин, ФЛ – фосфолипиды, ФК – фосфатидная кислота, Ах. К – арахидоновая кислота, PIP 2 – фосфатидилинозитол бифосфат, IP 3 – инозитол трифосфат, DAG – диацилглицерол, Pg – простагландины, LT – лейкотриены.

Адренорецепторы всех типов реализуют свое действие через Gs-белки. α- субъединицы этого белка активируют аденилатциклазу, которая обеспечивает синтез в клетке ц. АМФ из АТФ и активацию ц. АМФ зависимой протеинкиназы А. ββ γ-субъединицы Gs-белка активируют Са 2+-каналы L-типа и макси-K+-каналы. Под влиянием ц. АМФ-зависимой протеинкиназы А происходит фосфорилирование киназы легких цепей миозина и она переходит в неактивную форму, не способную фосфорилировать легкие цепи миозина. Процесс фосфорилирования легких цепей прекращается и гладкомышечная клетка расслабляется.

Американские ученые Роберт Лефковиц и Брайан Кобилка удостоились Нобелевской премии в 2012 г. за постижение механизмов взаимодействия рецепторов адреналина с G-белками. Взаимодействие бета-2 рецептора (обозначен синим цветом) c G- белками (обозначены зеленым цветом). Рецепторы, сопряженные с G-белками, очень красивые, если рассматривать архитектурные молекулярные ансамбли клетки как шедевры природы. Их называют «семиспиральными» , поскольку они, спирально упакованы в клеточной мембране на манер елочного серпантина и «пронизывают» ее семь раз, выставляя на поверхность «хвостик» , способный воспринять сигнал и передать конформационные изменения всей молекуле.

G-белки (англ. G proteins) - это семейство белков, относящихся к ГТФазам и функционирующих в качестве посредников во внутриклеточных сигнальных каскадах. G-белки названы так, поскольку в своём сигнальном механизме они используют замену ГДФ (синий цвет) на ГТФ (зеленый цвет) как молекулярный функциональный «выключатель» для регулировки клеточных процессов.

G-белки делятся на две основных группы - гетеротримерные («большие») и «малые» . Гетеротримерные G-белки - это белки с четвертичной структурой, состоящие из трёх субъединиц: альфа(α), бета (β) и гамма (γ). Малые G-белки - это белки из одной полипептидной цепи, они имеют молекулярную массу 20- 25 к. Да и относятся к суперсемейству Ras малых ГТФаз. Их единственная полипептидная цепь гомологична α-субъединице гетеротримерных G-белков. Обе группы G-белков участвуют во внутриклеточной сигнализации.

Циклический аденозинмонофосфат (циклический AMФ, ц. AMФ, c. AMP) - производное АТФ, выполняющее в организме роль вторичного посредника, использующегося для внутриклеточного распространения сигналов некоторых гормонов (например, глюкагона или адреналина), которые не могут проходить через клеточную мембрану. .

Каждой из систем передачи гормонального сигнала соответствует определенный класс протеинкиназ Активность протеинкиназ типа А регулируется ц. АМФ, протеинкиназы G — ц. ГМФ. Са 2+ — кальмодулинзависимые протеинкиназы находятся под контролем концентрации СА 2+. Протеинкиназы типа С регулируются ДАГ. Повышение уровня какого-либо вторичного посредника приводит к активации определенного класса протеинкиназ. Иногда субъединица мембранного рецептора может обладать активностью фермента. Например: тирозиновая протеинкиназа рецептора инсулина, активность которой регулируется гормоном.

Действие инсулина на клетки-мишени начинается после его связывания с мембранными рецепторами, при этом внутриклеточный домен рецептора обладает тирозинкиназной активностью. Тирозинкиназа запускает процессы фосфорилирования внутриклеточных белков. Происходящее при этом аутофосфорилирование рецептора ведет к усилению первичного сигнала. Инсулин-рецепторный комплекс может вызывать активирование фосфолипазы С, образование вторичных посредников инозитолтрифосфата и диацилглицерола, активацию протеинкиназы С, ингибирование ц. АМФ. Участие нескольких систем вторичных посредников объясняет многообразие и различия эффектов инсулина в разных тканях.

Другая система – гуанилатциклазная мессенджерская система. Цитоплазматический домен рецептора обладает активностью гуанилатциклазы (гемсодержащий фермент). Молекулы ц. ГТФ могут активировать ионные каналы или протеинкиназу GG , фосфорилирующую ферменты. ц. ГМФ контролирует обмен воды и ионный транспорт в почках и кишечнике, а в сердечной мышце служит сигналом релаксации.

Инозитолфосфатная система. Связывание гормона с рецептором, вызывает изменение конформациии рецептора. Происходит диссоциация G-G- белка и ГДФ заменяется на ГТФ. Отделившаяся α-субъединица, связанная с молекулой ГТФ, приобретает сродство к фосфолипазе С. Под действием фосфолипазы-С происходит гидролиз липида мембраны фосфатидилинозитол-4, 5 -бисфосфата (ФИФ 2) и образование инозитол-1, 4, 5 -трифосфат (ИФ 3) и диацилглицерол (ДАГ). ДАГ участвует в активации фермента протеинкиназы С (ПКС). Инозитол-1, 4, 5 -трифосфат (ИФ 3) связывается специфическими центрами Са 2+-канала мембраны ЭР, это приводит к изменению конформации белка и открытию канала — Са 2+ поступает в цитозоль. В отсутствие в цитозоле ИФ 3 канал закрыт.

Пути действия гормонов рассматриваются в виде двух альтерна­тивных возможностей:

1) действия гормона с поверхности клеточной мембраны после связывания со специфическим мембранным рецеп­тором и запуска тем самым цепочки биохимических превращений в мембране и цитоплазме (эффекты пептидных гормонов и катехоламинов);

2) действия гормона путем проникновения через мембрану и связывания с рецептором цитоплазмы, после чего гормон-рецепторный комплекс проникает в ядро и органоиды клетки, где и реализует свой регуляторный эффект (стероидные Гормоны,гормоны щитовидной железы).

Система гуанилатциклаза-цГМФ

Система гуанилатциклаза-цГМФ. Активация мембранной гу-анилатциклазы происходит не под непосредственным влиянием гор­мон-рецепторного комплекса, а опосредованно через ионизирован­ный кальций и оксидантные системы мембран. Типичная стимуля­ция активности гуанилатциклазы ацетилхолином также реализуется опосредованно через Са++ . Через активацию гуанилатциклазы ре­ализует эффект и натриуретический гормон предсердий - атриопептид. Путем активации перекисного окисления стимулирует гу-анилатциклазу биологически активное вещество (тканевой гормон) сосудистой стенки - расслабляющий эндотелиальный фактор. Под влиянием гуанилатциклазы из ГТФ синтезируется цГМФ, активи­рующий цГМФ-зависимые протеинкиназы, которые уменьшают ско­рость фосфорилирования легких цепей миозина в гладких мышцах стенок сосудов, приводя к их расслаблению. В большинстве тканей биохимические и физиологические эффекты цАМФ и цГМФ проти-воложны. Примерами могут служить стимуляция сокращений сердца под влиянием цАМФ и торможение их цГМФ, стимуляция сокра­щения гладких мышц кишечника цГМФ и подавление цАМФ. цГМФ играет роль в гиперполяризации рецепторов сетчатки глаза под влиянием фотонов света. Ферментативный гидролиз цГМФ осущест­вляется с помощью специфической фосфодиэстеразы.

БИЛЕТ №8

Роль паратгормона и кальцитонина в регуляции уровня кальция в крови. Химическое происхождение, механизмы действия, органы-мишени, метаболические эффекты. Патологии, связанные с гипер- и гипофункцией этих гормонов.

Паратгормон - полипептид, состоящий из 84 аминокислотных остатков, образуется и секретируется паращитовидными железами в виде высокомолекулярного прогормона. Прогормон после выхода из клеток подвергается протеолизу с образованием паратгормона. Продукцию, секрецию и гидролитическое расщепление паратиреоидного гормона регулирует концентрация кальция в крови. Снижение её приводит к стимуляции синтеза и высвобождению гормона, а понижение вызывает обратный эффект. Паратгормон повышает концентрацию кальция и фосфатов в крови. Паратиреоидный гормон действует на остеобласты, вызывая повышение деминерализации костной ткани. Активен не только сам гормон, но и его аминоконцевой пептид (1-34 аминокислоты). Он образуется при гидролизе паратиреоидного гормона в гепатоцитах и почках в тем большем количестве, чем ниже концентрация кальция в крови. В остеокластах активизируются ферменты, разрушающие промежуточное вещество кости, а в клетках проксимальных канальцев почек ингибируется обратная реабсорбция фосфатов. В кишечнике усиливается всасывание кальция.

Кальцитонин - гормон гипокальциемического действия, пептидной природы, синтезируется в С-клетках (парафолликулярные клетки) щитовидной железы. Некоторое количество синтезируется с легких. Впервые на существование кальцитонина, обладающего способностью поддерживать постоянный уровень кальция в крови, указал в 1962 году Д.Кнопп, который ошибочно считал, что этот гормон синтезируется паращитовидными железами.
Главными мишенями действия гормона являются кости и почки. Основная физиологическая роль кальцитонина состоит в предотвращении гиперкальциемии, которая возможна при поступлении кальция в организм. Эта функция осуществляется, скорее всего, путем торможения выхода кальция из костей.
Основной функций данного гормона является антагонистическое действие по отношению к паратгормону (гормону, вырабатываемого паращитовидными железами, так же участвующему в регуляции метаболизма кальция и повышающего содержание кальция в крови. См "Паратгормон"). Действие кальцитонина и паратгормона на кости имеет в общем противоположный характер, но в то же время он не является антипаратгормоном. Скорее всего эти гормоны действуют на различные виды клеток в костях.
Регуляция синтеза кальцитонина контролируется концентрацией кальция в крови. Увеличение концентрации кальция стимулирует синтез гормона, снижение приводит к обратному эффекту. Действие кальцитонина проявляется в угнетении активности остеокластов, уменьшении резорбции кости, предотвращении высвобождения кальция из кости и, как следствие, снижении содержания кальция в крови. Кальцитонин оказывает прямое влияние на почки, повышая экскрецию кальция, фосфора и натрия за счет подавления их канальцевой реабсорбции. Кальцитонин ингибирует всасывание кальция в тонкой кишке.
В клинической практике определение содержание кальцитонина в крови может иметь важное значение для диагностики медуллярного рака щитовидной железы, поскольку его содержание при данной форме рака в сыворотке крови увеличивается. Следует учитывать, что повышение содержания кальцитонина в крови может происходить при раке легкого и молочной железы и опухолей других локализаций (рак простаты). Некоторое повышение в содержании возможно при беременности, лечении эстрогенами, введении кальция, передозировке витамина Д. Поэтому постановка диагноза проводится с учетом всех возможных методов обследования.

Органы-мишени для ПТГ - кости и почки. В клетках почек и костной ткани локализованы специфические рецепторы, которые взаимодействуют с паратгормоном, в результате чего инициируется каскад событий, приводящий к активации аденилатциклазы. Внутри клетки возрастает концентрация молекул цАМФ, действие которых стимулирует мобилизацию ионов кальция из внутриклеточных запасов. Ионы кальция активируют киназы, которые фосфорилируют особые белки, индуцирующие транскрипцию специфических генов.

Гиперпаратиреоз

При первичном гиперпаратиреозе нарушается механизм подавления секреции паратгормона в ответ на гиперкальциемию. Это заболевание встречается с частотой 1:1000. Причинами могут быть опухоль околощитовидной железы (80%) или диффузная гиперплазия желёз, в некоторых случаях рак паращитовидной железы (менее 2%). Избыточная секреция паратгормона приводит к повышению мобилизации кальция и фосфатов из костной ткани, усилению реабсорбции кальция и выведению фосфатов в почках. Вследствие этого возникает гиперкальциемия, которая может приводить к снижению нервно-мышечной возбудимости и мышечной гипотонии. У больных появляются общая и мышечная слабость, быстрая утомляемость и боли в отдельных группах мышц, увеличивается риск переломов позвоночника, бедренных костей и костей предплечья. Увеличение концентрации фосфата и ионов кальция в почечных канальцах может служить причиной образования в почках камней и приводит к гиперфосфатурии и гипофосфатемии.

Вторичный гиперпаратиреоз встречается при хронической почечной недостаточности и дефиците витамина D 3 и сопровождается гипокальциемией, связанной в основном с нарушением всасывания кальция в кишечнике из-за угнетения образования кальцитриола поражёнными почками. В этом случае секреция паратгормона увеличивается. Однако повышенный уровень паратгормона не может нормализовать концентрацию ионов кальция в плазме крови вследствие нарушения синтеза кальцитриола и снижения всасывания кальция в кишечнике. Наряду с гипокальциемией, нередко наблюдают гиперфостатемию. У больных развивается повреждение скелета (остеопороз) вследствие повышения мобилизации кальция из костной ткани. В некоторых случаях (при развитии аденомы или гиперплазии околощитовидных желёз) автономная гиперсекреция паратгормона компенсирует гипокальциемию и приводит к гипер-кальциемии (третичный гиперпаратиреоз ).

Гипопаратиреоз

Основной симптом гипопаратиреоза, обусловленный недостаточностью паращитовидных желёз, - гипокальциемия. Понижение концентрации ионов кальция в крови может вызвать неврологические, офтальмологические нарушения и нарушения ССС, а также поражения соединительной ткани. У больного гипопарати-реозом отмечают повышение нервно-мышечной проводимости, приступы тонических судорог, судороги дыхательных мышц и диафрагмы, ларингоспазм

Расшифровка механизмов действия гормонов в организме животных представляет возможность глубже понять физиологические процессы - регуляцию обмена веществ, биосинтеза белков, роста и дифференцировки тканей.

Это важно и с практической точки зрения, в связи со все более широким применением естественных и синтетических гормональных препаратов в животноводстве и ветеринарии.

В настоящее время насчитывается около 100 гормонов, которые образуются в железах внутренней секреции, поступают в кровь и оказывают разностороннее влияние на метаболизм в клетках, тканях и органах. Трудно определить в организме такие физиологические процессы, которые не находились бы под регулирующим влиянием гормонов. В отличие от множества ферментов, которые вызывают в организме отдельные узко направленные изменения, гормоны оказывают множественные воздействия на процессы обмена веществ и другие физиологические функции. В то же время ни один из гормонов, как правило, полностью не обеспечивает регуляцию отдельных функций. Для этого необходимо воздействие ряда гормонов в определенной последовательности и взаимодействии. Так, например, соматотропин стимулирует процессы роста лишь при активном участии инсулина и гормонов щитовидной железы. Рост фолликулов в основном обеспечивает фоллитропин, а их созревание и процесс овуляции осуществляется под регулирующим воздействием лютропина и т. д.

Большинство гормонов в крови связано с альбуминами или глобулинами, что предохраняет их от быстрого разрушения ферментами и поддерживает оптимальную концентрацию метаболически активных гормонов в клетках и тканях. Гормоны оказывают непосредственное воздействие на процесс биосинтеза белков. Стероидные и белковые гормоны (половые, тройные гормоны гипофиза) в тканях-мишенях вызывают увеличение количества и объема клеток. Другие гормоны, такие как инсулин, глюко — и минералокортикоиды, воздействуют на синтез белков опосредованно.

Первым звеном физиологического действия гормонов в организме животных являются рецепторы клеточных мембран. В одних и тех же клетках имеются в большом количестве несколько видов; специфических рецепторов, с помощью которых они избирательна связывают молекулы различных гормонов, циркулирующих в крови. Например, жировые клетки в своих мембранах имеют специфические рецепторы для глюкагона, лютропина, тиротропина, кортикотропина.

Большинство гормонов белковой природы в связи с крупными размерами их молекул не могут проникать в клетки, а находятся на их поверхности и, взаимодействуя с соответствующими рецепторами, влияют на обмен веществ внутри клеток. Так, в частности, действие тиротропина связано с фиксацией его молекул на поверхности клеток щитовидной железы, под влиянием которых увеличивается проницаемость клеточных мембран для ионов натрия, а в их присутствии повышается интенсивность окисления глюкозы. Инсулин увеличивает проницаемость оболочек клеток в тканях и органах для молекул глюкозы, что способствует снижению ее концентрации в крови и переходу в ткани. Стимулирующее действие на синтез нуклеиновых кислот и белков соматотропин оказывает также путем воздействия на мембраны клеток.

Одни и те же гормоны могут влиять на обменные процессы в клетках тканей различными путями. Наряду с изменением проницаемости клеточных оболочек и мембран внутриклеточных структур для различных ферментов и других химических веществ, под влиянием тех же гормонов может изменяться ионный состав среды вне и внутри клеток, а также активность различных ферментов и интенсивность обменных процессов.

Гормоны оказывают влияние на активность ферментов и генный аппарат клеток не непосредственно, а с помощью медиаторов (посредников). Одним из таких медиаторов является циклический 3′, 5′-аденозинмонофосфат (циклический АМФ). Циклический АМФ (цАМФ) образуется внутри клеток из аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) с участием расположенного на клеточной мембране фермента аденилциклазы, которая активируется при воздействии соответствующих гормонов. На внутриклеточных мембранах имеется фермент фосфодиэстераза, которая превращает цАМФ в менее активное вещество - 5′-аденозинмонофосфат и этим прекращает действие гормона.

При воздействии на клетку нескольких гормонов, стимулирующих в ней синтез цАМФ, реакция катализируется одной и той же аденилциклазой, но рецепторы в мембранах клеток для этих гормонов строго специфичны. Поэтому, например, кортикотропин воздействует только на клетки коры надпочечников, а тиротропин - на клетки щитовидной железы и т. д.

Детальные исследования показали, что действие большинства белковых и пептидных гормонов приводит к стимуляции активности аденилциклазы и увеличению концентрации в клетках-мишенях цАМФ, с которым связана дальнейшая передача информации гормонального воздействия при активном участии целого ряда протеинкиназ. цАМФ выполняет роль внутриклеточного медиатора-посредника гормона, обеспечивающего повышение активности зависимых от него протеинкиназ в цитоплазме и ядрах клеток. В свою очередь, цАМФ-зависимые протеинкиназы катализируют фосфорилирование белков рибосом, что имеет прямое отношение к регуляции синтеза белков в клетках-мишенях при воздействии пептидных гормонов.

Стероидные гормоны, катехоламины, гормоны щитовидной железы в связи с малыми размерами молекул проходят через мембрану клеток и вступают в связь с рецепторами цитоплазмы внутри клеток. В дальнейшем стероидные гормоны в комплексе со своими рецепторами, представляющими белки кислого характера, переходят в ядро клетки. Допускают, что пептидные гормоны, по мере расщепления гормон-рецепторных комплексов, также воздействуют на специфические рецепторы цитоплазмы, комплекса Гольджи и оболочки ядра.

Не все гормоны стимулируют активность фермента аденилциклазы и увеличение ее концентрации в клетках. Некоторые пептидные гормоны, в частности инсулин, оцитоцин, кальцитонин, оказывают на аденилциклазу тормозящее воздействие. Физиологический эффект их действия, как полагают, обусловлен не увеличением концентрации цАМФ, а ее уменьшением. При этом в клетках, обладающих специфической чувствительностью к упомянутым гормонам, повышается концентрация другого циклического нуклеотида - циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ). Результат действия гормонов в клетках организма в конечном итоге зависит от воздействия обоих циклических нуклеотидов - цАМФ и цГМФ, являющихся универсальными внутриклеточными медиаторами - посредниками гормонов. В отношении действия стероидных гормонов, которые в комплексе со своими рецепторами проникают в ядро клетки, роль цАМФ и цГМФ как внутриклеточных посредников считают сомнительной.

Многие, если не все, гормоны конечный физиологический эффект проявляют опосредованно - через изменение биосинтеза белков-ферментов. Биосинтез белков является сложным многоэтапным процессом, осуществляемым при активном участии генного аппарата клеток.

Регулирующее воздействие гормонов на биосинтез белков осуществляется в основном путем стимуляции РНК-полимеразной реакции с образованием рибосомных и ядерных видов РНК, а также информационных РНК и путем влияния на функциональную активность рибосом и другие звенья белкового обмена. Специфические протеинкиназы в ядрах клеток стимулируют фосфорилирование соответствующих белковых компонентов и РНК-полимеразную реакцию с образованием информационных РНК, кодирующих синтез белков в клетках и органах-мишенях. При этом в ядрах клеток осуществляется дерепрессирование генов, которые освобождаются от угнетающего действия специфических репрессоров - ядерных белков-гистонов.

Такие гормоны, как эстрогены и андрогены в ядрах клеток связываются с белками-гистонами, репрессирующими соответствующие гены, и тем самым приводят генный аппарат клеток в активное функциональное состояние. При этом андрогены влияют на генный аппарат клеток слабее, чем эстрогены, что обусловлено более активным соединением последних с хроматином и ослаблением синтеза РНК в ядрах.

Вместе с активизацией белкового синтеза в клетках осуществляется образование белков-гистонов, являющихся репрессорами активности генов, а это препятствует метаболическим функциям ядер и чрезмерному проявлению стимуляции роста. Следовательно, в ядрах клеток имеется свой механизм генетической и митотической регуляции метаболизма и роста.

В связи с влиянием гормонов на анаболические процессы в организме усиливается ретенция питательных веществ корма и, следовательно, увеличивается количество субстратов для межуточного обмена веществ, активизируются регулирующие механизмы биохимических процессов, связанные с более эффективным использованием азотистых и других соединений.

На процессы синтеза белков в клетках оказывают влияние соматотропин, кортикостероиды, эстрогены, а также тироксин. Эти гормоны стимулируют синтез различных информационных РНК и тем самым усиливают синтез соответствующих белков. В процессах белкового синтеза важное значение принадлежит также инсулину, который стимулирует связывание информационных РНК с рибосомами и, следовательно, активирует синтез белков. Путем активации хромосомного аппарата клеток гормоны влияют на увеличение скорости белкового синтеза и концентрации ферментов в клетках печени и других органов и тканей. Однако механизм влияния гормонов на внутриклеточный обмен изучен еще недостаточно.

Действие гормонов, как правило, тесно связано с функциями ферментов, обеспечивающими биохимические процессы в клетках, тканях и органах. Гормоны участвуют в биохимических реакциях как специфические активаторы или ингибиторы ферментов, оказывая свое влияние на ферменты путем обеспечения их связи с различными биоколлоидами.

Поскольку ферменты являются белковыми телами, воздействие гормонов на их функциональную активность проявляется прежде всего путем влияния на биосинтез ферментов и катаболических белков-коферментов. Одним из проявлений активности гормонов является их участие во взаимодействии ряда ферментов в различных звеньях сложных реакций и процессов. Как известно, в построении коферментов определенную роль выполняют витамины. Полагают, что в этих процессах регулирующую функцию также выполняют гормоны. Например, кортикостероиды оказывают влияние на фосфорилирование некоторых витаминов группы В.

Для простагландинов особенно важным является их высокая физиологическая активность и очень малое побочное действие. В настоящее время известно, что простагландины действуют внутри клеток подобно медиаторам и играют важную роль в реализации эффекта действия гормонов. При этом активизируются процессы синтеза циклического аденозинмонофосфата (цАМФ), способного передавать узконаправленное действие гормонов. Возможно допустить, что фармакологические вещества внутри клеток действуют благодаря выработке специфических простагландинов. Сейчас во многих странах изучается механизм действия простагландинов на клеточно-молекулярном уровне, так как всестороннее изучение действия простагландинов может дать возможность целенаправленно воздействовать на обмен веществ и другие физиологические процессы в организме животных.

На основании изложенного можно сделать заключение, что гормоны оказывают в организме животных сложное и разностороннее действие. Комплексное влияние нервной и гуморальной регуляции обеспечивает согласованное течение всех биохимических и физиологических процессов. Однако в тончайших деталях механизм действия гормонов еще достаточно не изучен. Эта проблема интересует многих ученых и представляет большой интерес для теории и практики эндокринологии, а также животноводства и ветеринарии.