Химия гормонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

У людей, знакомых с биологией, функция гормонов в живых организмах ассоциируется с ролью дирижера-виртуоза в большом симфоническом оркестре. Дирижер координирует работу оркестровых групп, всего большого коллектива музыкантов, каждый из которых хорошо знает свою партию, мастерски владеет инструментом. Однако очевидно, что без дирижера исполнение музыкального произведения очень быстро превратится в бессмысленное чередование звуков, а гениальная музыка -- в ужасную какофонию. Любой живой организм -- сложнейшая и уникальная система органов и тканей, каждая из которых выполняет свою неотъемлемую и специфическую функцию. Как же осуществляется координация и согласование работы всех органов и систем живого организма? Что выполняет роль той самой дирижерской палочки, которая подчиняет единой цели и синхронизирует ювелирную биологическую работу каждого органа и их систем? Эту важнейшую функцию и выполняют вещества, вырабатываемые железами внутренней секреции (или эндокринными, как их называют врачи), они называются гормонами (от греч. Ьогтао -- приводить в движение, побуждать).

Гормоны -- биологически активные органические вещества, которые вырабатываются железами внутренней секреции и регулируют деятельность органов и тканей живого организма.

Как вы уже знаете из курса анатомии и физиологии, гормоны осуществляют гуморальную регуляцию деятельности органов, систем органов и всего организма в целом. Это не менее важный вид регуляции, чем хорошо известная вам нервная регуляция.

Понятно, что, выполняя столь многочисленные и разнообразные функции, гормоны обладают и соответствующим набором характерных свойств, среди которых важнейшими являются:

* чрезвычайно высокая физиологическая активность -- очень малые количества гормонов вызывают весьма значительные изменения в работе органов и тканей;

* дистанционное действие -- способность регулировать работу органов, удаленных от железы, вырабатывающей гормон; это становится возможным, потому что гормоны -- продукты желез внутренней секреции, доставляются к этим органам с током крови;

* быстрое разрушение в тканях, так как, оказывая очень сильное влияние на работу органов и тканей, гормоны не должны накапливаться в них;

* непрерывное продуцирование (секреция) соответствующей железой вызвано необходимостью постоянного регулирования, более или менее сильного воздействия на работу соответствующего органа в каждый момент времени.

Из анализа характерных свойств гормонов, как мощного средства гуморальной регуляции, ясно, что их образование эндокринными железами должно в каждый момент времени точно соответствовать состоянию организма. Обеспечение этого соответствия осуществляется по принципу обратной связи: не только гормон влияет на контролируемую систему органов и процессы в ней, но и состояние самой системы определяет производительность соответствующей железы, скорость образования и количество вырабатываемого гормона. Например, снижение концентрации глюкозы в крови тормозит секрецию инсулина (гормона, вызывающего уменьшение содержания глюкозы) и ускоряет секрецию глюкагона (гормона, стимулирующего рост концентрации глюкозы в крови). Таким образом, благодаря принципу обратной связиименно гормоны обеспечивают гомеостаз -- постоянство состава внутренней среды организма, контроль и регулирование содержания воды, углеводов, электролитов и т. п. в нем.

Очевидно, что, оказывая влияние на работу многочисленных и различных органов и тканей, регулируя производство ими различных по составу химических соединений, гормоны и сами должны быть разнообразны по своему строению и представлять разные классы органических веществ. По химическому строению гормоны делят на:

* стероидные (стероиды);

* гормоны -- производные аминокислот;

* пептидные;

* белковые.

Классификация гормонов

молекула прогестерон гормон химический

Классификация гормонов отражена в таблице

Познакомившись с функцией гормонов в организме, остановимся подробнее на их химическом строении. Рассмотрим формулы гормонов, получив общее представление о химической природе этой группы биологически активных веществ.

Стероидные гормоны (стероиды) формально можно рассматривать как производные гипотетического углеводорода стерана.Стероиды можно разделить на две группы: стероидные половые гормоны и гормоны коры надпочечников. Половые гормоны, в свою очередь, делят на:

* эстрогены -- женские половые гормоны, или стероиды, содержащие в молекуле 18 атомов углерода (так называемые С18-соединения). К ним относится, например, эстрадиол С18Н24О2.

Название этого гормона отражает наличие в молекуле двух гидроксильных групп. Очевидно, что строение молекулы эстрадиола позволяет отнести его и к спиртам, и к фенолам. К эстрогенам относятся также:

Наличие карбонильной группы отражается в названии эстрона суффиксом -он, название эстриола явно подчеркивает присутствие трех гидроксильных групп в его молекуле;

* андрогены -- мужские половые гормоны, или С19-стероиды, в основе молекулы которых лежит скелет молекулы углеводорода сложного строения -- андростана:

Наиболее важными андрогенами являются тестостерон, дигидротестостерон и андростандиол:

(химическое название тестостерона -- 17-гидрокси-4-андростен-3-он, дигидротестостерона -- 17-гидроксиандростан-З-он).

Очевидно, что тестостерон является ненасыщенным кетоно-спиртом, дигидротестостерон и андростандиол можно рассматривать как продукты его гидрирования, а принадлежность андростандиола к многоатомным спиртам и его насыщенный характер отражаются в названии;

* прогестерон и его производные, как и эстрогены, являются женскими половыми гормонами и относятся к С21-стероидам.

Из анализа строения молекулы прогестерона понятно, что он является кетоном и содержит в молекуле две карбонильные группы. Помимо половых гормонов, к стероидам относятся и гормоны коры надпочечников, такие, например, как кортизол, кортикостерон и альдостерон.

Сравнив структурные формулы всех этих гормонов, нетрудно заметить, что они имеют много общего, и конечно же в первую очередь «стероидное ядро» молекулы -- четыре сочлененных карбо-цикла: три шестиатомных и один пятиатомный.

Теперь, имея представление о стероидах, познакомимся с гормонами -- производными аминокислот. К ним относятся известные вам тироксин, адреналин и норадреналин.

Молекулы этих гормонов содержат аминогруппу или ее производные, а молекула тироксина также содержит и карбоксильную группу, т. е. является а-аминокислотой и проявляет все характерные для аминокислот свойства.

Более сложное строение имеют пептидные гормоны, например вазопрессин.

Вазопрессин -- пептидный гормон гипофиза, имеющий относительную молекулярную массу Мr = 1084 и содержащий в молекуле девять аминокислотных остатков. Еще большую относительную молекулярную массу (около 3485) имеет пептидный гормон поджелудочной железы глюкагон. Это и понятно, ведь его молекула содержит 29 аминокислотных звеньев. Обозначив остаток аминокислоты символом Am, формулу глюкагона можно записать так: H2N--(Am)29--СООН.

Очевидно, что молекула глюкагона содержит 28 пептидных групп.

Заметим, что структуры глюкагона у всех позвоночных близки или идентичны. Это позволяет получать медицинские препараты глюкагона из поджелудочных желез животных. А расшифровка структуры глюкагона человека позволила наладить его синтез в лабораторных условиях.

Белковые гормоны содержат в молекулах еще большее количество аминокислотных звеньев, объединенных в одну или несколько полипептидных цепей. Так, молекула инсулина содержит в двух полипептидных цепях 51 аминокислотный остаток, а сами цепи соединены двумя дисульфидными мостиками. Относительная молекулярная масса инсулина человека составляет 5807. Установление химической структуры этого белка позволило осуществить полный его синтез в лабораторных условиях, разработать способы трансформации инсулина животных в инсулин человека и осуществить получение этого важного гормона методами генной инженерии.

Другой белковый гормон -- соматотропин имеет относительную молекулярную массу около 21 500, полипептидная цепь его молекулы содержит 191 аминокислотный остаток и два дисульфидных мостика. В настоящее время уже установлена первичная структура соматотропина человека, овцы, быка.

Необходимо отметить, что молекулы инсулина крупных млекопитающих отличаются аминокислотными остатками всего в четырех положениях из 51, в то время как строение соматотропина в ходе эволюции животных и человека претерпевало значительные изменения и этот гормон приобрел видовую специфичность.

Теперь, зная состав и химическое строение важнейших гормонов, рассмотрим их специфическое влияние на различные физиологические процессы. При этом логично будет сгруппировать гормоны по эндокринным железам, их производящим.

Гормоны поджелудочной железы. Инсулин уже знакомый вам гормон полипептидной природы (первый гормон, который удалось синтезировать химическим путем).

Инсулин резко увеличивает проницаемость стенок мышечных и жировых клеток для глюкозы и не влияет на проницаемость стенок нервных клеток -- нейронов. Все процессы усвоения глюкозы происходят внутри клеток, а инсулин способствует транспорту глюкозы в них, следовательно, он обеспечивает усвоение глюкозы организмом, синтез гликогена и накопление его в мышечных волокнах.

При недостаточном образовании инсулина в организме развивается одно из тяжелейших эндокринных заболеваний -- сахарный диабет, при котором печень и мышцы резко снижают способность усваивать углеводы, в первую очередь глюкозу.

Недостаток углеводов (медики говорят -- «сахара») в клетках вызывает острый клеточный голод, сопровождается избыточным количеством глюкозы в крови (гипергликемия) и ее выделением с мочой. Клетки гибнут от энергетического голода, а ценнейший источник энергии -- глюкоза безвозвратно теряется организмом.

Сахарный диабет может приводить к отказу работы конечностей из-за поражения периферийных нервных узлов, нарушению зрения в результате поражения сосудов сетчатки, нарушению функций почек, а также развитию атеросклероза -- поражению артерий и нарушению кровообращения.

Основным средством лечения сахарного диабета является строго контролируемый лечащим врачом прием препаратов инсулина.

Увеличивая поступление глюкозы в клетки жировой ткани, инсулин способствует образованию жира в организме.

Этот гормон увеличивает проницаемость клеточных стенок и для аминокислот, а значит, стимулирует синтез белка в клетке.

* Другим гормоном поджелудочной железы является глюкагон, который стимулирует расщепление, гидролиз гликогена в клетках до глюкозы и, таким образом, повышает ее содержание в крови. Кроме того, он стимулирует и расщепление жиров в клетках жировой ткани. Очевидно, что по своему действию глюкагон является антагонистом инсулина, т. е. веществом с противоположным действием на организм.

Гормоны щитовидной железы. Щитовидная железа вырабатывает такие важные гормоны, как трииодтиронин, тетраиодтиронин (тироксин) и тиреокальцитонин. Первые два из них регулируют энергетический обмен в организме. Так, при введении в кровь всего лишь 1 мг тироксина суточный расход энергии человеком увеличивается более чем на 1000 ккал. Трииодтиронин физиологически еще более активен, поэтому его среднее содержание в крови в 20--25 раз меньше, он значительно быстрее разрушается в тканях. Стимулируя резкое увеличение производства энергии, эти гормоны ускоряют расходование клетками всех питательных веществ -- жиров, углеводов, белков, увеличивают потребление тканями глюкозы из крови, что, в свою очередь, компенсируется ростом скорости гидролиза гликогена в печени. Трииодтиронин и тироксин регулируют не только энергетические процессы в организме, но и пластические, т. е. ускоряют рост организма. Кроме того, эти гормоны стимулируют и центральную нервную систему, ускоряют и делают более выраженными рефлексы, в том числе сухожильный. Понятно поэтому, почему гиперфункция щитовидной

(железы -- избыточное производство гормонов -- приводит к непроизвольному дрожанию (тремору) конечностей, а недостаток в пище иода, необходимого для синтеза трииодтиронина и тироксина, вызывает разрастание ткани щитовидной железы и образование зоба.

Кроме иодсодержащих гормонов, щитовидная железа синтезирует и еще один важный гормон -- тиреокальцитонин. Этот гормон регулирует и контролирует усвоение и обмен кальция в организме. Таким образом, именно тиреокальцитонин «отвечает» за формирование и прочность скелета, а также зубов.

Гормоны надпочечников. Мозговое вещество надпочечников вырабатывает адреналин, который регулирует многие функции организма, в том числе и важнейшую -- обмен веществ. Присутствие этого гормона ускоряет расщепление гликогена в печени и мышцах, повышая количество глюкозы в крови, что увеличивает работоспособность скелетных мышц при их утомлении, активизирует возбудимость зрительных и слуховых рецепторов. Следовательно, адреналин способен стимулировать быстрое повышение работоспособности и сопротивляемости организма в чрезвычайных условиях.

Кора надпочечников вырабатывает несколько видов гормонов: минералокортикоиды, такие, как альдостерон и кортикостерон, регулирующие минеральный (солевой) обмен; глюкокортикоиды (кортизон, гидрокортизон), регулирующие белковый, углеводный и жировой обмен; гормоны, половые (андрогены, эстрогены, прогестерон), которые регулируют развитие половых органов в детском возрасте, когда секреция половых желез еще незначительна (до периода полового созревания).

Из минералокортикоидов наиболее активен альдостерон. Этот гормон регулирует количество и баланс ионов Nа+ и К+ в крови. Недостаток альдостерона снижает концентрацию хлорида натрия в крови и тканевых жидкостях, приводя к резкому снижению кровяного давления, обезвоживанию и гибели организма. Поэтому минералокортикоиды часто называют гормонами жизни. Очевидно, их избыток вызывает задержку жидкости в организме и устойчивое повышение артериального давления -- гипертонию (более правильный с медицинской точки зрения термин -- артериальная гипертензия).

Наиболее активный из глюкокортикоидов -- гормон гидрокортизон стимулирует синтез глюкозы в печени и тем самым повышает ее содержание в крови. Содержание гликогена в печени при этом не снижается, а может даже расти. Этим действие гидрокортизона принципиально отличается от действия адреналина. Кроме того, глюкокортикоиды ускоряют извлечение жиров из жировой клетчатки и их окисление (иногда используют метафору «сгорание») с выделением необходимой организму энергии. Недостаток этих гормонов истощает силы организма, его сопротивляемость неблагоприятным внешним воздействиям и болезням. Поэтому врачи нередко называют глюкокортикоиды противовоспалительными гормонами.

Неудивительно, что под влиянием неблагоприятных факторов, вызывающих состояние нервного и физического напряжения, требующее мобилизации защитных сил (канадский исследователь Селье назвал это состояние «стресс»), организм увеличивает секрецию глюкокортикоидов. Как уже отмечалось выше, «запускает» ускорение синтеза этих гормонов адреналин (теперь понятно, почему его иногда называют гормоном двойного действия: одни процессы он регулирует сам, а для влияния на другие мобилизует минерало-кортикоиды). Таким образом, понятно, что значение адреналина трудно переоценить.

С гормонами половых желез мы уже немного знакомы. До достижения половой зрелости в необходимых количествах они синтезируются корой надпочечников. В зрелом возрасте, когда половая функция организма приобретает большее значение, синтез анд-рогенов и эстрогенов начинают осуществлять специальные мужские и женские половые железы внутренней секреции.

Андрогены, например тестостерон, регулируют формирование и развитие мужских вторичных половых признаков -- особенностей скелета, голоса, распределение волосяного покрова на теле, поведение и конечно же развитие и работу мужских половых органов. Тестостерон, кроме того, стимулирует связывание азота в организме, тем самым ускоряя синтез белков и развитие мускулатуры. Поэтому тестостерон, его препараты и родственные соединения -- анаболические стероиды (анаболики; от греч. -- подъем) -- применяются, например, для ускорения развития мышц у спортсменов.

При сравнении строения молекул тестостерона и эстрадиола --основных половых гормонов можно отметить, что они отличаются лишь незначительно -- на одну метильную группу и несколько атомов водорода. Но как огромны последствия этих различий! Эстрадиол, как и другие эстрогены, -- женские половые гормоны, направляет развитие организма по женскому типу -- отвечает за формирование женских вторичных половых признаков, особенностей строения скелета тела, поведения и характера.

Помимо поджелудочной железы, надпочечников и половых желез, гормоны вырабатывает также еще одна не менее важная железа -- гипофиз.

Механизм действия. Стероидные гормоны, проникнув в клетку, связываются с цитоплазматическими рецепторами, образовавшийся комплекс транспортируется в ядро, где он связывается с белками хроматина и регулирует транскрипцию определенных генов. Гормоны щитовидной железы также действуют непосредственно на ядро, но, в отличие от стероидных, после проникания в клетку сразу связываются с ядерными рецепторами. Все остальные гормоны взаимодействия с рецепторами, находящимися на клеточной поверхности. Действие подавляющего большинства этих гормонов опосредовано изменением в клетке концентрации циклического 3',5'-аденозинмонофосфата (ц-АМФ). Связывание гормонов с-рецептором, находящимся на клеточной поверхности, вызывает активацию фермента аденилатциклазы, катализирующего превращение АТФ в ц-АМФ; последний взаимодействуют с регуляторной субъединицей фермента протеинкиназы и вызывает ее отщепление от каталитической субъединицы. Освободившаяся субъединица протеинкиназы катализирует фосфорилирование ряда белков, в результате чего изменяются конформация некоторых структурных белков и активность мн. ферментов. Для некоторых пептидных гормонов (напр., инсулина, пролактина, соматотропина) механизм действия еще не расшифрован, но, по-видимому, они также взаимодействию с рецепторами, находящимися на клеточной поверхности, вызывая образование посредников.

Получение

Небелковые гормоны, пептидные гормоны небольшой мол. массы и активные фрагменты некоторых полипептидных гормонов синтезируют. Полипептидные и белковые гормоны получают гл. обр. экстрагированием из желез убойного скота и послед. очисткой. Разработаны способы получения некоторых пептидных гормонов (напр., инсулина и соматотропина) с использованием генной инженерии. Метод основан на выделении гена соответствующего гормона и включении его в геном бактериальных клеток, приобретающих т. обр. способность к синтезу данного гормона. В результате размножения образуются большие массы бактерий, активно синтезирующих гормоны.

Применение

Наиб. широко гормоны используют при эндокринных заболеваниях, связанных с недостатком или отсутствием в организме эндогенного гормона (напр., инсулин при сахарном диабете). Гормоны применяют также для усиления или подавления функции той или иной эндокринной железы. Так, гормоны передней доли гипофиза стимулируют соответствующие периферической железы (напр., адренокортикотропин-кору надпочечников, тиреотропин-щитовидную железу), а гормоны периферических желез подавляют секрецию гипофизарных гормонов (напр., кортикостероиды подавляют секрецию адренокортикотропина). Важные области применения гормонов-акушерство и гинекология. Так, хорионический гонадотропин используют для лечения бесплодия, окситоцин-для усиления родовой деятельности, пролактин-для стимуляции секреции молока. Стероидные половые гормоны применяют при различных видах дисфункции половой системы, в качестве противозачаточных ср-в и при лечении некоторых форм рака (женские половые гормоны при раке предстательной железы, мужские-при раке молочной железы). Важная роль принадлежит гормонам и в лечении мн. Неэндокринных заболеваний; в первую очередь это относится к гормонам коры надпочечников, которые применяются при воспалит. процессах, аллергических заболеваниях, нефрите, ревматоидном артрите и др. Мужские стероидные половые гормоны и их синтетические аналоги -анаболические вещества.

Методы количественного определения. Концентрация гормонов в крови и тканях очень мала (10-6-10-10 М), поэтому для их определения требуются высокочувствительные методы. Широко используются радиолигандные методы, основанные на конкурентном связывании меченого и немеченого гормонов с различными белками: антителами, транспортными белками (напр., связывание кортизола, прогестерона и половых гормонов с соответствующими транспортными белками крови) или рецепторами (напр., связывание адренокортикотропина с мембранами надпочечников и лютеинизирующего гормона с мембранами семенников крыс). Для анализа небелковых гормонов применяют хим. методы; напр., стероидные гормоны и адреналин определяют флуорометрические и колориметрические методами. Для количеств. определения пептидных гормонов наряду с радиолигандными широко применяются биол. методы, основанные на характерных для каждого гормона биол. эффектах. Напр., содержание лютеинизирующего гормона устанавливают по увеличению массы яичников у гипофизэктомированных крыс или по снижению в них содержания аскорбиновой кислоты.

Примерные задания для школьников:

1. Подготовьте, предварительно проконсультировавшись у своего учителя биологии и школьного врача, небольшое - сообщение об основных средствах и методах профилактики сахарного диабета.Расскажите основные идеи своего сообщения родным и близким.

2. Каким физиологическим процессам соответствует возникновение адреналиновой гипергликемии? В каких органах и тканях протекают эти процессы? Составьте уравнение реакции гидролиза гликогена и объясните связь этой реакции с адреналиновой гипергликемией.

3. Опишите процессы, на которые оказывают влияние инсулин и адреналин. Можно ли считать эти гормоны антагонистами?

4. Что называют эндокринной системой? Назовите железы внутренней секреции и вырабатываемые ими гормоны.

5. Какие процессы регулирует гидрокортизон? Что общего в физиологическом действии этого гормона и адреналина? Что отличает их влияние на организм? Приведите уравнения реакций, соответствующих биохимическим процессам, на которые влияют эти гормоны.

6. К каким негативным последствиям может привести непрерывное продолжительное повышенное содержание адреналина в крови?

7. При диабетической коме -- тяжелом осложнении сахарного диабета -- человек теряет сознание, возникает угроза жизни. Симптомами приближения комы является вялость, сонливость, упадок сил, резкое ухудшение самочувствия. Предложите меры первой доврачебной помощи больному при приближении комы. Проконсультируйтесь у врача или медсестры о верности ваших предложений.

8. К каким классам веществ можно отнести тестостерон и эстрадиол? Почему отличаются суффиксы их названий?

9. Анаболики -- синтетические лекарственные препараты, которые стимулируют синтез белка и кальцификацию костной ткани. Их действие проявляется в увеличении массы скелета и скелетной мускулатуры. Сравните состав и строение метандростенолона -- дианабола (формула I), феноболина -- дураболина (II, R=С(0)СН2СН2Рh), рета-болила (II, R=СО(СН2)8(СН3) и трианабола (III):

К каким классам органических соединений их можно отнести? Почему? Какой характер (предельный, непредельный, ароматический) имеет каждое из них? Составьте эмпирические формулы этих соединений.

10. Адреналин образует ярко окрашенное (зеленое) соединение с раствором хлорида железа(III) FеСl3. Какими особенностями строения молекулы адреналина это можно объяснить?

11. Адреналин плохо растворим в холодной воде и значительно лучше -- в соляной кислоте. Чем это вызвано?

Список литературы

1. Лит. Биохимия гормонов и гормональной регуляции, М., 1976;

2. Взаимодействие гормонов с рецепторами, пер. с англ., М., 1979;

3. Климов П. К., в кн.: Физиология эндокринной системы. Л., 1979, с. 414-48;

4. СавченкоО. Н., Гормоны половыхжелез, тамже, с. 352-71;

5. Hormones and cell regulation, Amst., 1981 (Proc. of the 5lh YNSERM Europ. Sympos.). Н. А. Юдаев.

6. Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. -- 2-е изд. -- М.: Медицина, 1990.

7. Розен В. Б. Основы эндокринологии. -- 3-е изд., перераб. и доп. -- М.: Медицина, 1994.

Размещено на Allbest.ur