Классификации гормонов. Химическая природа гормонов

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.

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).

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.).

Различают три возможных варианта механизма действия гормо­нов.

Мембранный, или локальный, механизм - заключается в том, что гормон в месте связывания с клеточной мембраной изменяет ее проницаемость для метаболитов, например, глюкозы, аминокислот, неко­торых ионов. Поступление глюкозы, аминокислот оказывает, в свою оче­редь, влияние на биохимические процессы в клетке, а изменение распре­деления ионов по обе стороны мембраны влияет на электрический по­тенциал и функцию клеток. Мембранный тип действия гормонов редко встречается в изолированном виде. Например, инсулин обладает как мембранным (вызывает местные изменения транспорта ионов, глюкозы и аминокислот), так и мембранно-внутриклеточным типом действия.

Мембранно-внутриклеточный тип действия (или косвенный) характерен для гормонов, которые, не проникают в клетку и поэтому влияют на обмен веществ через внутриклеточный химический посредник, который и является полномочным представителем гормона внутри клет­ки. Гормон через мембранные рецепторы влияет на функцию сигнальных систем (обычно это ферменты), запускающих образование или поступле­ние внутриклеточных посредников. А последние, в свою очередь, влияют на активность и количество разных ферментов и тем самым изменяют обмен веществ в клетке.

Цитозольный механизм действия характерен для липофильных гормонов, способных проникать через липидный слой мембраны внутрь клетки, где они вступают в комплекс с цитозольными рецепторами. Этот комплекс регулирует количество ферментов в клетке, избира­тельно влияя на активность генов хромосом ядра, и тем самым изменяют обмен веществ и функции клетки. Подобный тип действия гормона назы­вается прямым, в отличие от мембранно-внутриклеточного, когда гормон регулирует обмен веществ лишь косвенно, через внутриклеточные по­средники.

Гормоны щитовидной и паращитовидных желез

Гормоны щитовидной железы

Щитовидная железа секретирует две группы гормонов с разным влиянием на обмен веществ. Первая группа - йодтиронины: тироксин и трийодтиронин. Эти гормоны регулируют энергетический обмен и влияют на деление и дифференцировку клеток, определяя развитие организма. Йодтиронины действуют на многие ткани организма, но в наибольшей степени на ткани печени, сердца, почек, скелетных мышц и в меньшей степени на жировую и нервную ткани.

При гиперфункции щитовидной железы (гипертиреозе) наблюда­ется избыточное образование йодтиронинов. Характерным признаком тиреотоксикоза является ускоренный распад углеводов и жиров (мобили­зуются из жировых депо). Быстрое сгорание жирных кислот, глицерина и продуктов гликолиза требует большого расхода кислорода. Митохондрии увеличиваются в размерах, набухают, меняется их форма. Поэтому ино­гда тиреотоксикоз называют «болезнью митохондрий». Внешне гипертериоз проявляется в виде следующих симптомов: увелечение основного обмена, повышение температуры тела (повышенная теплопродукция), похудание, выраженная тахикардия, повышенная нервная возбудимость, пучеглазие и др. Снимаются эти нарушения или хирургическим удалени­ем части щитовидной железы, или с помощью препаратов, угнетающих ее деятельность.

При гипофункции (гипотиреозе) щитовидной железы имеется недостаток йодтиронинов. Гипотериоз в раннем детском возрасте назы­вается кретинизмом или микседемой детей, а у взрослых - просто микседемой. Кретинизм характеризуется выражейной физической и умственной отсталостью. Это объясняется снижением действия йодтиронинов на де­ление клеток и их дифференцировку, что влечет за собой замедленный и неправильный рост костной ткани, нарушение дифференцировки нейро­нов. У взрослых микседема проявляется в снижении основного обмена и температуры тела, ухудшении памяти, нарушении кожных покровов (су­хость, шелушение) и др. В тканях организма снижен обмен углеводов и жиров и все энергетические процессы. Гипотериоз устраняется лечением препаратами йодтиронинов.

Ко второй группе относится кальциотонин (белок с молекулярной массой 30000), он регулирует фосфорно-кальциевый обмен, его действие рассмотренно ниже.

Водорастворимые гормоны не способны проникать через цитоплазматическую мембрану. Рецепторы для данной группы гормонов располагаются на поверхности клеточной мембраны. Поскольку гормоны не проходят внутрь клеток, между ними и внутриклеточными процессами необходим вторичный посредник, который передаёт гормональный сигнал внутрь клетки. В качестве вторичных посредников могут служить инозитолсодержащие фосфолипиды, ионы кальция, циклические нуклеотиды.

10.3.2.1. Циклические нуклеотиды - цАМФ, цГМФ- вторичные посредники

Гормон взаимодействует с рецептором и образует гормон - рецепторный комплекс, в котором меняется конформация рецептора. Это, в свою очередь, изменяет конформацию мембранного ГТФ - зависимого белка (G-белка) и ведёт к активации мембранного фермента аденилатциклазы, который переводит АТФ в цАМФ.

Внутриклеточный циклический АМФ служит вторичным посредником. Он активирует внутриклеточные ферменты протеинкиназы, которые катализируют фосфорилирование различных внутриклеточных белков (ферментов, мембранных белков), что приводит к реализации конечного эффекта гормона. Эффект гормона «выключается» под действием фермента фосфодиэстеразы, разрушающей цАМФ, и ферментов фосфатаз, дефосфорилирующих белки.

.

10.3.2.2. Ионы кальция - вторичные посредники

Взаимодействие гормона с рецептором повышает проницаемость кальциевых каналов клеточной мембраны, и внеклеточный кальций поступает в цитозоль. В клетках ионы Са 2+ взаимодействуют с регуляторным белком кальмодулином. Комплекс кальций-кальмодулин активирует кальцийзависимые протеинкиназы, которые активируют фосфолирирование различных белков и приводят к конечным эффектам.

10.3.2.3. Инозитолсодержащие фосфолипиды - вторичные посредники .

Образование гормон-рецепторного комплекса активирует в клеточной мембране фосфолипазу «С», которая расщепляет фосфатидилинозит на вторичные посредники диацилглицерин (ДАГ) и инозитол-трифосфат (ИФ 3). ИФ 3 активирует выход Са 2+ из внутриклеточных депо в цитозоль. Ионы кальция взаимодействуют с кальмодулином, что активирует протеинкиназы и последующее фосфолирирование белков, сопровождающееся конечными эффектами гормона. ДАГ активирует протеинкиназу «С», которая фосфорилирует сериновые или треониновые специфические белки – мишени, в результате чего может меняться проницаемость мембран, в ряде случаев через систему посредников происходит экспрессия генов.

Существует несколько видов классификации.

По месту образования гормонов:

1. гормоны гипоталамуса;

2. гормоны гипофиза;

3. гормоны щитовидной железы;

4. гормоны поджелудочной железы;

5. гормоны паращитовидных желез;

6. гормоны надпочечников;

7. гормоны половых желез;

8. гормоны местного действия.

По химическому строению:

1. белково-пептидные гормоны: гормоны гипоталамуса, гипофиза, поджелудочной железы, паращитовидных желез;

2. производные аминокислот: адреналин, норадреналин, тироксин, трийодтиронин;

3. стероиды: в их основе лежит структура циклопентанпергидрофенантрена, образуются из холестерина (половые гормоны, коры надпочечников).

По механизму действия (по расположению рецепторов):

1. гормоны, действующие через внутриклеточный рецептор - липофильные гормоны - стероиды и тиреоидные гормоны;

2. гормоны, действующие через рецепторы, находящиеся на поверхности клетки - гидрофильные гормоны. Они действуют через внутриклеточный посредник - мессенджер.

Гормон - первый посредник, а цАМФ, ионы Са2+, фосфатидилинозиды - вторые (чаще цАМФ, которая образуется из АДФ) посредники. [рис. цАМФ]

Механизм действия гормонов

Липофильные гормоны.

Гормон диффундирует через плазматическую мембрану и связывается внутренними рецепторами, образуется комплекс «гормон-рецептор», который активируется и действует на ДНК. В ДНК выделяют В ДНК выделяют гормон-чувствительный элемент (ГЧЭ). Под его влиянием изменяется транскрипция, что влияет на деградацию мРНК. Гормоны влияют на процессинг белка. Гормоны действуют непосредственно на ДНК, активируют ферменты

По химическому строению гормоны делятся на несколько группы:

• Гормоны белковой-пептидной природы: это гормоны гипоталамуса, гипофиза, поджелудочной железы, желудочно-кишечного тракта, паращитовидной железы.
• Гормоны – производные аминокислот: это адреналин и норадреналин из мозгового слоя надпочечников, трииодтиронин и тетраиодтиронин (тироксин) из щитовидной железы, мелатонин из эпифиза.
• Гормоны стероидной природы: они образуются из холестерина (гормоны коры надпочечников, половые гормоны, витамин Д).
• В особую группу выделяют тканевые гормоны , которые образуются в специализированных эндокринных клетках внутренних органов: желудка, кишечника, легких, почек – и оказывают регуляторное влияние на клетки того же или другого органа. Некоторые тканевые гормоны образуются в самих рабочих клетках или в крови (простагландины, кинины, ангиотензин).

Функциональная классификация гормонов:

1. Эффекторные гормоны - гормоны, которые оказывают влияние непосредственно на орган-мишень.
2. Тропные гормоны - гормоны, основной функцией которых является регуляция синтеза и выделения эффекторных гормонов. Выделяются аденогипофизом.
3. Рилизинг-гормоны - гормоны, регулирующие синтез и выделение гормонов аденогипофиза, преимущественно тропных. Выделяются нервными клетками гипоталамуса.

По биохимическим действиям, функциям различают 5 видов гормонов:

• гормоны, регулирующие обмен белков, углеводов, липидов: инсулин, глюкагон, адреналин, кортизол.
• гормоны, регулирующие водно-солевой обмен в организме: альдостерон, вазопрессин.
• гормоны, регулирующие обмен ионов кальция и фосфатов в организме: половые гормоны: паратгормон, кальцитонин, кальцитриол.
• гормоны, регулирующие репродуктивную функцию в организме: половые гормоны (мужские и женские).
• гормоны, регулирующие функции эндокринных желез: АКТГ, тиреотропный, ЛГ, ФСГ, соматотропин, меланотропный.

Гормоны могут воздействовать на клетки-мишени по трем механизмам: мембранному, мембранно-цитозольному и цитозольному.

1. Мембранный механизм заключается в том, что гормон, связываясь с рецептором мембраны, вызывает изменения третичной структуры белков транспортных систем. После этого в клеточную оболочку встраиваются каналы, через которые глюкоза и аминокислоты поступают в цитоплазму. По такому механизму действует инсулин.

2. Мембранно-цитозольный механизм характерен для большинства гормонов, синтезированных не из холестерола. Гормон также не проникает в клетку и эффект егоопосредован через рецептор, расположенный в клеточной оболочке. В составе рецептора имеется фермент аденилатциклаза, который. В момент присоединения гормона к рецептору она, активируясь, расщепляет АТФ и вырабатывается вторичный посредник циклический АМФ (цАМФ): АТФ аденилатциклаза цАМФ + Ортофосфорная кислота.

цАМФ поступает в цитоплазму, где активирует фермент протеинкиназу. Последняя катализирует реакцию присоединения к рабочему ферменту остатка фосфорной кислоты. После этого рабочий фермент активируется, запуская определенную биохимическую реакцию. Например, адреналин, присоединяясь к рецептору клетки печени, индуцирует выработку цАМФ. Последний активирует протеинкиназу, она – рабочий фермент гликогенфосфорилазу, запуская процесс расщепления гликогена в печени. После того, как цАМФ оказал эффект, он расщепляется фосфодиэстеразой: цАМФ Фосфодиэстераза АМФ. После этого клетка может принимать новый сигнал.

Некоторые гормоны через выработку цАМФ оказывают обратный эффект: ингибируя рабочий фермент, останавливают реакцию. Эффект других гормонов (соматотропина, окситоцина, адреналина через α-адренорецептор) опосредован через цГМФ, образующийся из гуанозинтрифосфата (ГТФ): ГТФ гуанилатциклаза цГМФ + Ортофосфорная к-та.

цЦМФ также активирует протеинкиназу, расщепляется фосфодиэстеразой.

Эффект гормоны третьей группы может осущствляться через вторичные посредники, генерируемые в процессе гидролиза фосфоглицерида фосфатидилинозитолтрифосфата (ФИнТФ). Последний расположен в двойном фосфолипидном слое клеточной мембраны и гидролизуется фосфолипазой С, локализованной в рецепторе, после присоединения к нему гормона.

Высвободившийся иозитол-1,4,5-трифосфат (ИнТФ) поступает в цитоплазму, где связывается со своим рецептором на мембране эндоплазматического ретикулума, открывая расположенные здесь кальциевые каналы. Вследствие этого в цитоплазму поступают ионы кальция, которые связываясь с различными белками, изменяют метаболизм в клетке. Ин-3-ф в после этого инактивируется, отщепляя от инозитола остатки фосфорной кислоты.

Оставшийся в мембране после отщепления от ФИнТФ остатка ИнТФ диацилглицерол (ДАГ), активирует протеинкиназу С, которая присоединяет остаток фосфорной кислоты к определенным белкам, также изменяет метаболизм в клетке. После этого ДАГ инактивируется, присоединяя к третьему углеродному атому глицерола остаток фосфорной кислоты и превращаясь в фосфатидную кислоту. По такому механизму воздействуют на клетки паратгормон, вырабатываемый паращитовидными железами, инсулин, один из эффектов которого опосредован через мембрано-цитозольный механизм, и другие гормоны.

Цитозольный механизм действия характерен для гормонов коркового слоя надпочечников, половых желез (стероидных гормонов) и тироксина. Эти гормоны проникают в цитоплазму клеток, там соединяются с цитозольным рецептором и поступают вместе в ядро клетки. Там они, воздействуя на молекулу ДНК, индуцируют сборку молекулы иРНК, затем синтез в рибосомах определенных ферментов. Например, кортизон индуцирует биосинтез ключевых ферментов глюконеогенеза, тироксин – ферментов энергетического обмена. Гормоны этой группы оказывают большое влияние на рост и дифференцировку клеток.

Выучите определение понятия: гормоны – биологически активные соединения, выделяемые железами внутренней секреции в кровь или лимфу и оказывающие влияние на метаболизм клетки.

23.1.2. Запомните основные особенности действия гормонов на органы и ткани:

• гормоны синтезируются и выделяются в кровь специализированными эндокринными клетками;
• гормоны обладают высокой биологической активностью - физиологическое действие проявляется при концентрации их в крови порядка 10-6 - 10-12 моль/л;
• каждый гормон характеризуется присущей только ему структурой, местом синтеза и функцией; дефицит одного гормона не может быть восполнен другими веществами;
• гормоны, как правило, влияют на отдалённые от места их синтеза органы и ткани.

23.1.3. Гормоны осуществляют своё биологическое действие, образуя комплекс со специфическими молекулами – рецепторами . Клетки, содержащие рецепторы к определённому гормону, называются клетками-мишенями для этого гормона. Большинство гормонов взаимодействуют с рецепторами, расположенными на плазматической мембране клеток-мишеней; другие гормоны взаимодействуют с рецепторами, локализованными в цитоплазме и ядре клеток-мишеней. Имейте в виду, что дефицит как гормонов, так и их рецепторов может приводить к развитию заболеваний.

23.1.4. Некоторые гормоны могут синтезироваться эндокринными клетками в виде неактивных предшественников – прогормонов . Прогормоны могут запасаться в большом количестве в специальных секреторных гранулах и быстро активироваться в ответ на соответствующий сигнал.

23.1.5. Классификация гормонов основана на их химическом строении. Различные химические группы гормонов приведены в таблице 23.1.

* Местом секреции этих гормонов является задняя доля гипофиза (нейрогипофиз).

Следует иметь в виду, что кроме истинных гормонов выделяют также гормоны местного действия . Эти вещества синтезируются, как правило, неспециализированными клетками и оказывают свой эффект в непосредственной близости от места выработки (не переносятся током крови к другим органам). Примерами гормонов местного действия являются простагландины, кинины, гистамин, серотонин.