Эндокринная, а по современным данным нейроэндокринная система регулирует и координирует деятельность всех органов и систем, обеспечивая адаптацию организма к постоянно меняющимся факторам внешней и внутренней среды, результатом чего является сохранение гомеостаза, который, как известно, необходим для поддержания нормальной жизнедеятельности организма. За последние годы четко показано, что перечисленные функции нейроэндокринная система выполняет в тесном взаимодействии с иммунной системой.

Эндокринная система представлена железами внутренней секреции, ответственными за образование и высвобождение в кровь различных гормонов. Железы внутренней секреции, или эндокринные железы, подразделяются на классические (гипофиз, щитовидная и околощитовидные железы, островковый аппарат поджелудочной железы, корковое и мозговое вещество надпочечников, яички, яичники, эпифиз) и неклассические (вилочковая железа, сердце, печень, почки, ЦНС, плацента, кожа, желудочно-кишечный тракт).

Установлено, что центральная нервная система (ЦНС) принимает участие в регуляции секреции гормонов всех эндокринных желез, а гормоны в свою очередь влияют на функцию ЦНС, модифицируя ее активность и состояние. Нервная регуляция эндокринных функций организма осуществляется как через гипофизотропные (гипоталамические) гормоны, так и через влияние автономной нервной системы. Кроме того, в различных областях ЦНС секретируется достаточное количество моноаминов и пептидных гормонов, многие из которых секретируются также в эндокринных клетках желудочно-кишечного тракта. К таким гормонам относятся вазоактивный интестинальный пептид (ВИП), холецистокинин, гастрин, нейротензин, мет-, лейэнкефалин и др.

В гипоталамусе секретируются собственно гипоталамические (вазопрессин, окситоцин, нейротензин) и гипофизотропные гормоны (соматостатин, тиролиберин, или тиротропинвысвобождающий гормон, гонадолиберин, или гонадотропинвысвобождающий гормон, или люлиберин, кортиколиберин, или кортикотропинвысвобождающий гормон, и соматолиберин, или соматотропинвысвобождающий гормон). Последние высвобождаются в портальную систему гипофиза, достигают клеток передней доли гипофиза, угнетая или усиливая их секреторную активность, и тем самым изменяют скорость секреции тропных гормонов гипофиза.

Иммунная система и вилочковая железа (тимус) также вырабатывают большое количество гормонов, которые можно подразделить на цитокины, или лимофкины, и тимические гормоны. К цитокинам, которые секретируются иммунокомпетентными клетками, относятся g-интерферон, интерлейкин 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11 и 12; фактор некроза опухолей, гранулоцитарный колониестимулирующий фактор, гранулоцитомакрофагальный колониестимулирующий фактор, макрофагальный колониестимулирующий фактор, лейкемический ингибиторный фактор, онкостатин М, фактор стволовых клеток и др. Необходимо подчеркнуть, что активированные лимфоциты и другие иммунокомпетентные клетки секретируют как факторы роста (нервный, эпидермальный, b-трансформирующий фактор роста, соматомедины, или инсулиноподобныый фактор роста 1 и 2 (ИФР 1 и 2), так и различные полипептидные гормоны (АКТГ, ТТГ, ЛГ, ФСГ, СТГ, пролактин, хорионический гонадотропин, соматостатин, ВИП, окситоцин, вазопрессин, метэнкефалин, кортиколиберин, соматолиберин, вещество Р и др.).

Из вилочковой железы выделены специфические тимические гормоны: тимозин (5-я фракция), тимозин a-1, тимозин a-7, тимозин a-11, тимозин b-4, b-8, тимозин b-9, тимозин b-10, тимический гуморальный фактор, тимопоэтин, тимулин, тимический фактор Х, тимостимулин. Кроме того, в тимусе вырабатываются перечисленные выше лимфокины (интерлейкин 1, 2, 4, 6, 7, фактор некроза опухолей и др.), нейропептиды (нейротензин, вещество Р, ВИП, холецистокинин, соматостатин, окситоцин, вазопрессин, нейротензины, метэнкефалин, АКТГ, предсердный натрийуретический пептид).

Цикотины и тимические гормоны осуществляют свое специфическое действие аутокринным или паракринным путем, влияя на дифференцировку Т-клеток, увеличивая количество Т-супрессоров или цитотоксических Т-клеток, восстанавливая реактивность Т-клеток, влияя на гемопоэтические клетки и принимая таким образом участие в интегрирующей роли нейроэндокринно-иммунной системы в организме.

Накоплено много данных о желудочно-кишечных гормонах, которые секретируются клетками или скоплениями клеток, расположенными в тканях желудочно-кишечного тракта. Изолировано и описано более 30 гормонов этой группы. Эндокринные клетки желудочно-кишечного тракта секретируют гастрин, гастринвысвобождающий пептид, секретин, холецистокинин, соматостатин, ЖИП, ВИП, вещество Р, мотилин, галанин, пептиды гена глюкагона (глицентин, оксинтомодулин, глюкагоноподобный пептид 1 и 2), нейротензин,нейромедин N, пептид YY, панкреатический полипептид, нейропептид Y, хромогранины (хромогранин А и относящиеся к нему пептиды – панкреастатин и хромостатин; хромогранин В и относящиеся к нему пептид GAWK и секретогранин II). Близкими по структуре к ВИП являются пептид гистидин изолейцин (PHI), пептид гистидин метионин (РНМ), гипофизарный активирующий аденилатциклазу пептид (РАСАР), который выявляется в двух формах (РАСАР 27 и РАСАР 38), и имеющие на 68% гомологичную структуру с ВИП, хотя и кодируются различными генами. Все эти гормоны, как и ВИП, осуществляют биологическое действие через повышение цАМФ и оказывают влияние, близкое к влиянию ВИП.

Близки по структуре к гастринвысвобождающему пептиду нейромедин В, нейромедин U8 и U25, которые осуществляют биологическое влияние, подобное гастринвысвобождающему пептиду. Описаны пептиды, относящиеся к гену кальцитонина (CGRP). Если a-пептид, относящийся к гену кальцитонина, является нейропептидом и представляет основную форму гормона в ЦНС и в окончаниях чувствительных нервов, то b-пептид, относящийся к гену кальцитонина, локализуется в нервных окончаниях желудочно-кишечного тракта и поджелудочной железе.

Опиоидные пептиды (энкефалины и эндорфины) выявляются в нейронах желудочно-кишечного тракта и представлены двумя группами пептидов: лей- и метэнкефалины, производные препроэнкефалина А, и динорфины, производные препроэнкефалина В.

Выделенные вначале из эндотелиальных клеток эндотелин 1, 2 и 3 также локализуются в клетках желудочно-кишечного тракта. Более того, выделен новый пептид, близкий по структуре к эндотелинам и названный вазоактивным интестинальным констрикторным пептидом (ВИК). Возможно, что все эти гормоны, помимо физиологической роли, принимают участие в патогенезе различных заболеваний желудочно-кишечного тракта, в частности язвенной болезни желудка.

Секреторные эндокринные клетки желудочно-кишечного тракта относятся к АПУД-системе (amine content, precursor uptake, decarboxilation, что означает содержание аминов, поглощение предшественников и декарбоксилирование). Характерным свойством этих клеток является их способность поглощать и накапливать предшественников биогенных аминов с последующим их декарбоксилированием, в результате чего образуются биологически активные вещества и полипептидные гормоны.

Прошло немногим более 30 лет со времени открытия нового класса биологически активных соединений – простагландинов (Pg), действующих в концентрациях 10-11 моль/л. Вначале были идентифицированы PgE2, PgF2, PgD2, которые называются “классическими” простагландинами и имеют широкий спектр действия. Так, простагландины серии Е2 влияют на состояние сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта, репродуктивной системы и органов дыхания, являются медиаторами воспаления, лихорадки и определенных типов боли. Простагландины серии F-a воздействуют на женскую репродуктивную, дыхательную и пищеварительную системы.

В 1975 г. были описаны тромбоксаны, а в 1976 г. – простациклины (простагландин 12), которые являются производными простагландинов и участвуют в процессах агрегации и дезагрегации тромбоцитов. Исходным продуктом для синтеза простагландинов in vivo служит арахидоновая кислота. В 1979 – 1980 гг. была обнаружена еще одна цепь превращений арахидоновой кислоты в лейкотриены (лейкотриен А4, В4, С4, D4, Е4), синтезируемые в полиморфноядерных лейкоцитах и принимающие участие в воспалительных реакциях.

Перечисленные соединения образуются из арахидоновой кислоты, которая представлена в мембранах клеток как одна из составляющих фосфолипидов. Отщепление арахидоновой кислоты от фосфотидилхолинарахидоната фосфолипидной части мембраны происходит при участии фосфолипазы А2. Существует два основных пути (циклооксигеназный и липооксигеназный) окисления арахидоновой кислоты. Конечными продуктами первого пути являются простагландины и тромбоксаны, а второго – гидроксиэйкозатетраеновая кислота (НЕТЕ) и лейкотриены. Помимо циклооксигеназы и липооксигеназы, выявлен третий фермент – эпоксигеназа, которая окисляет арахидоновую кислоту в эпопоксиэйкозатриеновую кислоту (ЕЕТ) и дигидроксиэйкозатриеновую кислоту (DHET). Все метаболиты арахидоновой кислоты называются эйкозаноидами.

Роль эйкозаноидов в организме велика. Они участвуют в механизмах секреции инсулина, в регуляции образования глюкозы печенью, в процессах липолиза, метаболизма в костной ткани в норме и при метастазах, в репродуктивной функции (регуляции лютеолиза, сокращение мышц матки при родах и абортах), в регуляции функции аденогипофиза, гормональной функции желудочно-кишечного тракта, почек, легких, в процессах воспаления, свертывания крови и механизмах развития атеросклероза.

Почки, выполняя основную выделительную функцию, являются также своеобразной эндокринной железой. Юкстагломерулярные клетки секретируют в кровь гормон ренин, под влиянием которого ангиотензиноген превращается в ангиотензин, а последний способствует синтезу и высвобождению альдостерона. В почках образуется и другой гормон – эритропоэтин, который стимулирует развитие и высвобождение эритроцитов из костного мозга. Здесь же под влиянием 1-гидроксилазы осуществляется гидроксилирование биологически менее активной формы 25(ОН) витамина D в активную форму-1, 25(ОН)2 витамина D.

В последнее время установлено, что и сердце является эндокринной железой. Вначале из предсердия был выделен предсердный натрийуретический гормон, а в настоящее время установлено, что в миоцитах существует предсердная натрийуретическая система, состоящая из прогормона, включающего 126 аминокислотных остатков, и принимающая участие в снижении артериального давления и обладающая натрийуретическим, диуретическим, калийуретическим свойствами. Из прогормона образуются: пропредсердный натрийуретический гормон (1-30); длительно действующий натриевый стимулятор (31-67); сосудистый дилататор (79-98); калийуретический стимулятор (99-126 аминокислотные остатки). Перечисленные пептиды высвобождаются в циркуляцию в виде N-терминального пептида, состоящего из 98 аминокислот, и С-терминального пептида, состоящего из 28 аминокислот, т.е. собственно предсердного натрийуретического гормона. Оба пептида высвобождаются одновременно в ответ на центральную гиперволемию и повышенную частоту сердечных сокращений (свыше 125 ударов в минуту). N-терминальный пептид (1-98) под влиянием протеаз расщепляется на пептиды, состоящие из 1-30, 31-67, 79-98 аминокислотных остатков, которые и оказывают биологическое действие.

В ЦНС секретируется мозговой натрийуретический пептид. Как предсердный, так и мозговой натрийуретический пептид выявляется, помимо сердца и мозга, в других тканях (надпочечники, почки, матка и др.), хотя концентрация этих гормонов в тканях составляет лишь 1/1000 от уровня гормона в сердце. Это указывает на то, что натрийуретические пептиды выполняют здесь паракринную или аутокринную функции. Нейроэндокринная система обеспечивает регуляцию, координацию и интеграцию различных функций организма. Единство и взаимосвязь нервных и эндокринных механизмов регуляции четко прослеживается на примере гипоталамуса, специальные клетки которого воспринимают афферентные и эфферентные нервные импульсы и передают их дальше уже гормональным путем – посредством секреции гипофизотропных и гипоталамических гормонов в портальную систему гипофиза. Следовательно, в области гипоталамуса происходит преобразование нервных импульсов в гуморальные сигналы. Другие эндокринные клетки, в частности клетки АПУД-системы, обладают способностью образовывать не только гормоны, но и нейропередатчики, или нейромедиаторы.

Таким образом, правильнее говорить не об эндокринной, а о нейроэндокринной системе организма, или иммунно-нейроэндокринной системе. Функциональная активность и морфологическая структура эндокринных желез находятся под контролем и регулирующим влиянием ЦНС. Еще в 1935 г. А.Д. Сперанский писал, что “гуморальный фактор есть один из видов отражения нервных влияний в периферических тканях, без чего ни одна нервная функция нам вообще неизвестна”. Современные исследования полностью подтвердили это положение.

Функциональная активность эндокринной системы зависит не только от способности желез внутренней секреции продуцировать необходимое количество гормонов. Большинство гормонов, секретируемых периферическими эндокринными железами, доставляется к соответствующим органам или тканям-мишеням в связанном с белками состоянии. Так, глюкокортикоиды – гормоны коры надпочечников, прогестерон и альдостерон — связываются глюкокортикоидсвязывающими белками, основным из которых является транскортин. Тироидные гормоны связываются тироксинсвязывающими глобулинами (a-2 глобулин с молекулярной массов 54 кДа), транстиретином, который ранее назывался преальбумином (гликопротеин с молекулярной массой 55 кДа), и альбумином с молекулярной массой 66,5 кДа. Тестостерон, дигидротестостерон и эстрадиол циркулируют в центральном кровообращении в комплексе с глобулином, связывающим половые гормоны, который является гликопротеином с молекулярной массой 90 кДа.

Белки крови выполняют при этом в основном транспортную функцию. Транспортные белки не в одинаковой степени связывают соответствующие гормоны. Так, транскортин в одинаковой степени связывает (около 90%) кортизол и прогестерон, а глобулин, связывающий половые гормоны, более прочно связывает тестостерон (около 98%), чем эстрадиол. Около 50% цилкулирующего альдостерона находится в связанном с белками состоянии. Большая часть кальцитриола находится в комплексе с белком, связывающим витамин Д, причем фракция 25-ОН Д3 связывается этим белком крепче, чем 1, 25(ОН)2Д3. Тироидные гормоны циркулируют в крови почти полностью в связанной с белками форме. Свободная форма для Т4 составляет 0,04% и для Т3 – 0,4%. Около 68% Т4 и 80% Т3 связаны с тироксинсвязывающим глобулином, 11% Т4 и 9% Т3 – с транстиретином и 21% Т4 и 11% Т3, циркулирующих в крови, связаны с альбумином.

Гормоны, связанные с ними, биологически неактивны, т.е. неспособны комплексироваться с соответствующим рецептором. Для того чтобы произошло взаимодействие гормона с рецептором, гормоны должны диссоциировать из фракции, связанной с белками крови. Как правило, фракция свободного гормона составляет небольшую часть от его общего количества, циркулирующего в кровеносной системе, но именно эта фракция обеспечивает присущий данному гормону биологический эффект. Изменение количества белков крови, связывающих гормоны, приводит к развитию патологических состояний, обусловленных избытком или недостатком эффекта соответствующего гормона.

Транспортные белки, помимо своей специфической функции переноса гормона к месту его действия, выполняют функцию депонирования гормона в кровообращении. Гормон, связанный с белками, находится в постоянном равновесии со свободной биологически активной формой гормона и по мере снижения уровня свободного гормона последний высвобождается из связанной с белками формы, поддерживая таким образом постоянную концентрацию свободной фракции в периферической крови. Кроме того, транспортные белки влияют на скорость клиренса гормона, который осуществляется в печени и почках.

Жирорастворимые (липофильные) гормоны (стероиды, йодотиронины и кальцитриол) проходят плазматическую мембрану клетки пассивно и затем связываются (комплексируются) с цитозольными белками и ядерными рецепторами. Водорастворимые (гидрофильные) гормоны (полипептидные, гликопротеиновые, белковые и катехоламины) после комплексирования с мембранными рецепторами оказывают свое действие через вторичные мессенджеры.

Важным условием нормального функционирования эндокринной системы является также состояние ткани-мишени. Так принято называть ткань, чувствительную к действию данного гормона и отвечающую специфическим эффектом на это действие. Способность тканей-мишеней реагировать на соответствующий гормон определяется наличием рецепторов, осуществляющих взаимодействие с этим гормоном. Например, адренокортикотропный гормон (АКТГ) циркулирует по всему организму, но только в надпочечниках имеются рецепторы, способные комплексироваться с ним. Поэтому органом или тканью-мишенью для АКТГ является надпочечник; здесь гормон оказывает свое биологическое действие – стимулирует процессы стероидогенеза. Изменение функционального состояния рецепторного аппарата приводит к возникновению тех же симптомов, которыми проявляется избыточная или недостаточная секреция соответствующих гормонов.

Эндокринную функцию организма обеспечивают системы, в которые входят:

1) эндокринные железы, секретирующие гормон;

2) гормоны и пути их транспорта;

3) соответствующие органы или ткани-мишени, отвечающие на действие гормонов и обеспеченные нормальным рецепторным и пострецепторным механизмами.

Эндокринная система организма в целом поддерживает постоянство во внутренней среде, необходимое для нормального протекания физиологических процессов. Помимо этого, эндокринная система совместно с нервной и иммунной системами обеспечивают репродуктивную функцию, рост и развитие организма, образование, утилизацию и сохранение (“про запас” в виде гликогена или жировой клетчатки) энергии.

ГОРМОНЫ И МЕХАНИЗМ ИХ ДЕЙСТВИЯ

Первоначально термином “гормон” обозначали химические вещества, которые секретируются железами внутренней секреции в лимфатические или кровеносные сосуды, циркулируют в крови и оказывают действие на различные органы и ткани, находящиеся на значительном расстоянии от места их образования. Оказалось, однако, что некоторые из этих веществ (например, норадреналин), циркулируя в крови как гормоны, выполняют функцию нейропередатчика (нейротрансмиттера), тогда как другие (соматостатин) являются и гормонами, и нейропередатчиками. Кроме того, отдельные химические вещества секретируются эндокринными железами или клетками в виде прогормонов и только на периферии превращаются в биологически активные гормоны (тестостерон, тироксин, ангиотензиноген и др.).

Гормоны, в широком смысле слова, являются биологически активными веществами и носителями специфической информации, с помощью которой осуществляется связь между различными клетками и тканями, что необходимо для регуляции многочисленных функций организма. Информация, содержащаяся в гормонах, достигает своего адресата благодаря наличию рецепторов, которые переводят ее в пострецепторное действие (влияние), сопровождающееся определенным биологическим эффектом.

В настоящее время различают следующие варианты действия гормонов:

1) гормональное, или гемокринное, т.е. действие на значительном удалении от места образования;

2) изокринное, или местное, когда химическое вещество, синтезированное в одной клетке, оказывает действие на клетку, расположенную в тесном контакте с первой, и высвобождение этого вещества осуществляется в межтканевую жидкость и кровь;

3) нейрокринное, или нейроэндокринное (синаптическое и несинаптическое), действие, когда гормон, высвобождаясь из нервных окончаний, выполняет функцию нейротрансмиттера или нейромодулятора, т.е. вещества, изменяющего (обычно усиливающего) действие нейротрансмиттера;

4) паракринное — разновидность изокринного действия, но при этом гормон, образующийся в одной клетке, поступает в межклеточную жидкость и влияет на ряд клеток, расположенных в непосредственной близости;

5) юкстакринное – разновидность паракринного действия, когда гормон не попадает в межклеточную жидкость, а сигнал передается через плазматическую мембрану рядом расположенной другой клетки;

6) аутокринное действие, когда высвобождающийся из клетки гормон оказывает влияние на ту же клетку, изменяя ее функциональную активность;

7) солинокринное действие, когда гормон из одной клетки поступает в просвет протока и достигает таким образом другой клетки, оказывая на нее специфическое воздействие (например, некоторые желудочно-кишечные гормоны).

Синтез белковых гормонов, как и других белков, находится под генетическим контролем, и типичные клетки млекопитающих экспрессируют гены, которые кодируют от 5000 до 10 000 различных белков, а некоторые высокодифференцированные клетки – до 50 000 белков. Любой синтез белка начинается с транспозиции сегментов ДНК, затем транскрипции, посттранскрипционного процессинга, трансляции, посттрансляционного процессинга и модификации. Многие полипептидные гормоны синтезируются в форме больших предшественников-прогормонов (проинсулин, проглюкагон, проопиомеланокортин и др.). Конверсия прогормонов в гормоны осуществляется в аппарате Гольджи.

По химической природе гормоны делятся на белковые, стероидные (или липидные) и производные аминокислот.

Белковые гормоны подразделяют на пептидные: АКТГ, соматотропный (СТГ), меланоцитостимулирующий (МСГ), пролактин, паратгормон, кальцитонин, инсулин, глюкагон, и протеидные – глюкопротеиды: тиротропный (ТТГ), фолликулостимулирующий (ФСГ), лютеинизирующий (ЛГ), тироглобулин. Гипофизотропные гормоны и гормоны желудочно-кишечного тракта принадлежат к олигопептидам, или малым пептидам. К стероидным (липидным) гормонам относятся кортикостерон, кортизол, альдостерон, прогестерон, эстрадиол, эстриол, тестостерон, которые секретируются корой надпочечника и половыми железами. К этой группе можно отнести и стеролы витамина D – кальцитриол. Производные арахидоновой кислоты являются, как уже указывалось, простагландинами и относятся к группе эйкозаноидов. Адреналин и норадреналин, синтезируемые в мозговом слое надпочечника и других хромаффинных клетках, а также тироидные гормоны являются производными аминокислоты тирозина. Белковые гормоны гидрофильны и могут переноситься кровью как в свободном, так и в частично связанном с белками крови состоянии. Стероидные и тироидные гормоны липофильны (гидрофобны), отличаются небольшой растворимостью, основное их количество циркулирует в крови в связанном с белками состоянии.

Гормоны осуществляют свое биологическое действие, комплексируясь с рецепторами – информационными молекулами, трансформирующими гормональный сигнал в гормональное действие. Большинство гормонов взаимодействуют с рецепторами, расположенными на плазматических мембранах клеток, а другие гормоны – с рецепторами, локализованными внутриклеточно, т.е. с цитоплазматическими и ядерными.

Белковые гормоны, факторы роста, нейротрансмиттеры, катехоламины и простагландины относятся к группе гормонов, для которых рецепторы расположены на плазматических мембранах клеток. Плазматические рецепторы в зависимости от структуры подразделяются на:

1) рецепторы, трансмембранный сегмент которых состоит из семи фрагментов (петель);

2) рецепторы, трансмембранный сегмент которых состоит из одного фрагмента (петли или цепи);

3) рецепторы, трансмембранный сегмент которых состоит из четырех фрагментов (петель).

К гормонам, рецептор которых состоит из семи трансмембранных фрагментов, относятся: АКТГ, ТТГ, ФСГ, ЛГ, хорионический гонадотропин, простагландины, гастрин, холецистокинин, нейропептид Y, нейромедин К, вазопрессин, адреналин (a-1 и 2, b-1 и 2), ацетилхолин (М1, М2, М3 и М4), серотонин (1А, 1В, 1С, 2), дофамин (Д1 и Д2), ангиотензин, вещество К, вещество Р, или нейрокинин 1, 2 и 3 типа, тромбин, интерлейкин-8, глюкагон, кальцитонин, секретин, соматолиберин, ВИП, гипофизарный аденилатциклазактивирующий пептид, глютамат (MG1 – MG7), аденин.

Ко второй группе относятся гормоны, имеющие один трансмембранный фрагмент: СТГ, пролактин, инсулин, соматомаммотропин, или плацентарный лактоген, ИФР-1, нервные факторы роста, или нейротрофины, фактор роста гепатоцитов, предсердный натрийуретический пептид типа А, В и С, онкостатин, эритропоэтин, цилиарный нейротрофический фактор, лейкемический ингибиторный фактор, фактор некроза опухолей (р75 и р55), нервный фактор роста, интерфероны (a, b и g), эпидермальный фактор роста, нейродифференцирующий фактор, факторы роста фибробластов, факторы роста тромбоцитов А и В, макрофагный колониестимулирующий фактор, активин, ингибин, интерлейкины-2, 3, 4, 5, 6 и 7, гранулоцито-макрофагный колониестимулирующий фактор, гранулоцитный колониестимулирующий фактор, липопротеин низкой плотности, трансферрин, ИФР-2, урокиназный плазминогенный активатор.

К гормонам третьей группы, рецептор которых имеет четыре трансмембранных фрагмента, относятся ацетилхолин (никотиновые мышечные и нервные), серотонин, глицин, g-аминомасляная кислота.

Мембранные рецепторы являются интегральными компонентами плазматических мембран. Связь гормона с соответствующим рецептором характеризуется высокой аффинностью, т.е. высокой степенью сродства рецептора к данному гормону.

Биологический эффект гормонов, взаимодействующих с рецепторами, локализованными на плазматической мембране, осуществляется с участием “вторичного мессенджера”, или передатчика.

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

1) гормоны, оказывающие биологический эффект с участием циклического аденозинмонофосфата (цАМФ);

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

3) гормоны, опосредующие свое действие с участием в качестве внутриклеточного вторичного мессенджера ионизированного кальция или фосфатидилинозитидов (инозитолтрифосфат и диацилглицерин) или обоих соединений;

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

Механизмы, участвующие в образовании вторичных мессенджеров, оперируют через активирование аденилатциклазы, гуанилатциклазы, фосфолипазы С, фосфолипазы А2, тирозинкиназ, Са2+- каналов и др.

Кортиколиберин, соматолиберин, ВИП, глюкагон, вазопрессин, ЛГ, ФСГ, ТТГ, хорионический гонадотропин, АКТГ, паратгормон, простагландины типа Е, D и I, b-адренергические катехоламины оказывают гормональное действие через активирование рецептора посредством стимуляции системы аденилатциклаза – цАМФ. В то же время другая группа гормонов, таких, как соматостатин, ангиотензин II, ацетилхолин (мускариновый эффект), дофамин, опиоиды и a2-адренергические катехоламины, угнетают систему аденилатциклаза – цАМФ.

В образовании вторичных мессенджеров для таких гормонов, как гонадолиберин, тиролиберин, дофамин, тромбоксаны А2, эндоперекиси, лейкотриены, агниотензин II, эндотелин, паратгормон, нейропептид Y, a1-адренергические катехоламины, ацетилхолин, брадикинин, вазопрессин, участвуют система фосфолипаза С, инозитол трифосфат, Са2+-зависимая протеинкиназа С. Инсулин, макрофагный колониестимулирующий фактор, тромбоцитарный производный фактор роста опосредуют свое действие через тирозинкиназу, а предсердный натрийуретический гормон, гистамин, ацетилхолин, брадикинин, эндотелийпроизводный фактор или оксид азота, который в свою очередь участвует в опосредовании вазодилататорного действия брадикинина, и ацетилхолин – через гуанилатциклазу. Следует отметить, что разделение гормонов по принципу активирующих систем или того или иного вторичного мессенджера условно, так как многие гормоны после взаимодействия с рецептором активируют одновременно несколько вторичных мессенджеров.

Большинство гормонов, взаимодействующих с плазматическими рецепторами, имеющих 7 трансмембранных фрагментов, активируют вторичные мессенджеры через связывание с гуанилатнуклеотидными белками или G-белками или регуляторными белками (Г-белки), которые являются гетеротримерными белками, состоящими из a-, b-, g-субъединиц. Идентифицировано более 16 генов, кодирующих a-субъединицу, несколько генов для b- и g-субъединиц. Различные виды a-субъединиц оказывают неидентичные эффекты. Так, a-s-субъединица ингибирует аденилатциклазу и Са2+-каналы, a-q-субъединица – фосфолипазу С, a-i-субъединица ингибирует аденилатциклазу и Са2+- каналы и стимулирует фосфолипазу С, К+-каналы и фосфодиэстеразу; b-субъединица стимулирует фосфолипазу С, аденилатциклазу и Са2+-каналы, а g-субъединица стимулирует К+-каналы, фосфодиэстеразу и угнетает аденилатциклазу. Точная функция других субъединиц регуляторных белков пока не установлена.

Гормоны, комплексирующие с рецептором, имеющим один трансмембранный фрагмент, активируют внутриклеточные ферменты (тирозинкиназу, гуанилатциклазу, серин-треонин киназу, тирозинфосфатазу). Гормоны, рецепторы которых имеют 4 трансмембранных фрагмента, осуществляют передачу гормонального сигнала через ионные каналы.

Исследованиями последних лет показано, что вторичные мессенджеры представляют собой не какое-то одно из перечисленных соединений, а многоступенчатую (каскадную) систему, конечным субстратом (веществом) которой могут быть одно или несколько биологически активных соединений. Так, гормоны, взаимодействующие с рецепторами, имеющими 7 трансмембранных фрагментов и активирующие Г-белок, затем стимулируют аденилатциклазу, фосфолипазу или оба фермента, что ведет к образованию нескольких вторичных мессенджеров: цАМФ, инозитол трифосфата и диацилглицерина. К настоящему времени эта группа представлена наибольшим количеством (более 100) рецепторов, к которым относятся пептидергические, дофаминергические, адренергические, холинергические, серотонинергические и другие рецепторы. В этих рецепторах 3 внеклеточных фрагмента (петли) ответственны за распознавание и связывание гормона, 3 внутриклеточных фрагмента (петли) связывают Г-белок. Трансмембранные (внутримембранные) домены гидрофобны, а вне- и внутриклеточные фрагменты (петли) – гидрофильны. С-терминальный цитоплазматический конец рецепторной полипептидной цепи содержит участки, где под влиянием активированных Г-белков происходит фосфорилирование, характеризующее активное состояние рецептора с одновременным образованием вторичных мессенджеров: цАМФ, инозитол трифосфата и диацилглицерина.

Взаимодействие гормона с рецептором, имеющим один трансмембранный фрагмент, приводит к активированию ферментов (тирозинкиназы, фосфаттирозинфосфатазы и др.), осуществляющих фосфорилирование тирозиновых остатков на белковых молекулах.

Комплексирование гормона с рецептором, относящимся к третьей группе и имеющим 4 трансмембранных фрагмента, приводит к активированию ионных каналов и вхождение ионов, что в свою очередь или стимулирует (активирует) серин-треониновые киназы, опосредующие фосфорилирование определенных участков белка, или приводит к деполяризации мембраны. Передача сигнала любым из перечисленных механизмов сопровождается эффектами, характерными для действия отдельных гормонов.

История изучения вторичных мессенджеров начинается с исследований Сатерленда и др. (1959), которые показали, что распад гликогена печени под влиянием глюкагона и адреналина происходит посредством стимулирующего влияния этих гормонов на активность фермента клеточной мембраны аденилатциклазы, которая катализирует превращение внутриклеточного аденозинтрифосфата (АТФ) в цАМФ (схема 1).

Схема 1. Конверсия АТФ в цАМФ.

Собственно аденилатциклаза является гликопротеином с молекулярной массой около 150 000 кДа. Аденилатциклаза участвует с ионами Mg2+ в образовании цАМФ, концентрация которого в клетке составляет около 0,01-1 мкг•моль/л, тогда как содержание АТФ в клетке достигает уровня до 1 мкг•моль/л.

Образование цАМФ происходит с помощью аденилатциклазной системы, которая является одним из компонентов рецептора. Взаимодействие гормона с рецептором первой группы (рецепторы, имеющие 7 трансмембранных фрагментов) включает, по крайней мере, 3 следующих друг за другом этапа: 1) активирование рецептора, 2) передача гормонального сигнала и 3) клеточное действие.

Первый этап, или уровень, представляет собой взаимодействие гормона (лиганда) с рецептором, что осуществляется посредством ионных и водородных связей и гидрофобных соединений с вовлечением не менее 3 мембранных молекул Г-белка или регуляторного белка, состоящего из a-, b- и g-субъединиц. Это в свою очередь активирует мембраносвязанные ферменты (фосфолипазу С, аденилатциклазу) с последующим образованием 3 вторичных мессендежров: инозитол трифосфата, диацилглицерина и цАМФ.

Аденилатциклазная система рецептора состоит из 3 компонентов: собственно рецептора (стимуляторная и ингибиторная его части), регуляторного белка с его a-, b- и g-субъединицами и каталитической субъединицы (собственно аденилатциклазы), которые в обычном (т.е. нестимулированном) состоянии разобщены между собой (схема 2). Рецептор (обе его части – стимулирующая и ингибирующая) располагается на внешней, а регуляторная единица – на внутренней поверхности плазматической мембраны. Регуляторная единица, или Г-белок, в отсутствие гормона связана гуанозиндифосфатом (ГДФ). Комплексирование гормона с рецептором вызывает диссоциацию комплекса Г-белок – ГДФ и взаимодействие Г-белка, а именно его a-субъединицы с гуанозинтрифосфатом (ГТФ) и одновременное образование комплекса b/g-субъединицы, который способен вызывать определенные биологические эффекты. Комплекс ГТФ-a-субъединица, как уже отмечалось, активирует аденилатциклазу и последующее образование цАМФ. Последний активирует уже протеинкиназу А с соответствующим фосфорилированием различных белков, что проявляется также определенным биологическим действием. Кроме того, активированный комплекс ГТФ-a-субъединица в некоторых случаях регулирует стимуляцию фосфолипазы С, цГМФ, фосфодиэстеразы, Са2+- и К+-каналов и оказывает угнетающее влияние на Са2+-каналы и аденилатциклазу.

Схема 2. Механизм действия белковых гормонов путем активации цАМФ (объяснения в тексте).

Рс – рецептор, связывающий стимулирующий гормон,

Ст – стимулирующий гормон,

Ру – рецептор, связывающий угнетающий гормон,

Уг – угнетающий гормон,

Ац – аденилатциклаза,

Gy – гормонугнетающий белок,

Gc – гормонстимулирующий белок.

Роль гормона, таким образом, заключается в осуществлении замены комплекса Г-белок – ГДФ на комплекс Г-белок – ГТФ. Последний активирует каталитическую субъединицу, конвертируя ее в состояние, обладающее высокой аффинностью к комплексу АТФ-Mg2+, который быстро превращается в цАМФ. Одновременно с активацией аденилатциклазы и образованием цАМФ комплекс Г-белок – ГТФ вызывает диссоциацию гормонорецепторного комплекса путем снижения сродства рецептора к гормону.

Образовавшийся цАМФ активизирует в свою очередь цАМФ-зависимые протеинкиназы. Они представляют собой ферменты, осуществляющие фосфорилирование соответствующих белков, т.е. перенос фосфатной группы от АТФ к гидроксильной группе серина, треонина или тирозина, входящих в молекулу белка. Фосфорилированные таким образом белки непосредственно осуществляют биологический эффект гормона.

В настоящее время установлено, что регуляторные белки представлены более чем 50 различными белками, способными комплексироваться с ГТФ, которые подразделяются на Г-белки с небольшой молекулярной массой (20-25 кДа) и высокомолекулярные Г-белки, состоящие из 3 субъединиц (a – с мол. массой 39-46 кДа; b – 37 кДа и g-субъединица – 8 кДа). a-Субъединица является по сути ГТФазой, которая гидролизует ГТФ в ГДФ и свободный неорганический фосфат. b- и g-Субъединицы участвуют в образовании активного комплекса после взаимодействия лиганды с соответствующим рецептором. Высвобождая ГДФ в местах его связывания, a-субъединица вызывает диссоциацию и деактивацию активного комплекса, так как повторная ассоциация a-субъединицы – ГДФ с b- и g-субъединицами возвращает аденилатциклазную систему в исходное состояние. Установлено, что a-субъединица Г-белка в различных тканях представлена 8, b – 4 и g – 6 формами. Диссоциация субъединиц Г-белка в мембране клеток может приводить к одновременному образованию и взаимодействию различных сигналов, которые имеют на конце системы неодинаковые по силе и качеству биологические эффекты.

Собственно аденилатциклаза представляет собой гликопротеин с молекулярной массой 115 – 150 кДа. В различных тканях идентифицировано 6 ее изоформ, которые взаимодействуют с a-, b- и g-субъединицами, а также с Са2+ кальмодулином. В некоторых видах рецепторов помимо регуляторного стимулирующего (Гс) и регуляторного ингибирующего (Ги) белка идентифицирован дополнительный белок – трансдуцин.

Роль регуляторных белков в передаче гормонального сигнала велика, структуру этих белков сравнивают с “кассетой”, и многообразие ответа связано с высокой мобильностью регуляторного белка. Так, некоторые гормоны могут одновременно активировать в различной степени как Гс, так и Ги. Более того, взаимодействие некоторых гормонов с рецепторными регуляторными белками вызывает экспрессию соответствующих белков, регулирующих уровень и степень гормонального ответа. Активация, как показано выше, регуляторных белков является следствием их диссоциации от гормонально-рецепторного комплекса. В некоторых рецепторных системах в это взаимодействие вовлечено до 20 и более регуляторных белков, которые помимо стимуляции образования цАМФ активируют одновременно и кальциевые каналы.

Определенное количество рецепторов, которые относятся к первой группе, имеющих 7 трансмембранных фрагментов, опосредуют свое действие вторичными мессенджерами, относящимися к производным фосфатидилинозитола: инозитолтрифосфат и диацилглицерин. Инозитолтрифосфат контролирует клеточные процессы за счет генерации внутриклеточного кальция. Эта мессенджерная система может активироваться двумя путями, а именно через регуляторный белок или фосфотирозиновые белки. И в том, и в другом случае далее происходит активирование фосфолипазы С, которая гидролизует полифосфоинозидную систему. Эта система, как указано выше, включает два внутриклеточных вторичных мессенджера, которые образуются из мембранного полифосфоинозида, называемого фосфатидилинозитол-4, 5-бифосфатом (ФИФ2). Комплексирование гормона с рецептором вызывает гидролиз ФИФ2 фосфорилазой, в результате чего и образуются указанные мессенджеры – инозитол трифосфат (ИФ3) и диацилглицерин. ИФ3 способствует повышению уровня внутриклеточного кальция в первую очередь за счет мобилизации последнего из эндоплазматической сети, где он локализутся в так называемых кальциосомах, а затем за счет поступления в клетку внеклеточного кальция. Диацилглицерин в свою очередь активизирует специфические протеинкиназы и, в частности, протеинкиназу С. Последние фосфорилируют определенные ферменты, ответственные за конечный биологический эффект. Не исключено, что разрушение ФИФ2 наряду с выходом двух мессенджеров и увеличением содержания внутриклеточного кальция индуцирует и образование простагландинов, являющихся потенциальными стимуляторами цАМФ.

Посредством этой системы опосредуется действие таких гормонов, как гистамин, серотонин, простагландины, вазопрессин, холецистокинин, соматолиберин, тиролиберин, окситоцин, паратгормон, нейропептид Y, вещество Р, ангиотензин II, катехоламины, осуществляющие действие через a1-адренорецепторы, и др.

В группу фермента фосфолипазы С входят до 16 изоформ, которые в свою очередь подразделяются на b-, g- и d-фосфолипазу С. Показано, что b-фосфолипаза С взаимодействует с регуляторными белками, а g-фосфолипаза С – с тирозинкиназами.

Инозитолтрифосфат осуществляет действие через собственные специфические тетрамерные рецепторы, имеющие молекулярную массу 4х313 кДа. После комплексирования с таким рецептором выявлены так называемые “большие” инозитолтрифосфатные рецепторы или рианодиновые рецепторы, которые также относятся к тетрамерам и имеют молекулярную массу 4х565 кДа. Не исключено, что внутриклеточные кальциевые каналы рианодиновых рецепторов регулируются новым вторичным мессенджером – цАДФ-рибозой (L. Meszaros и соавт., 1993). Образование этого мессенджера опосредуется цГМФ и оксидом азота (NO), который активирует цитоплазматическую гуанилатциклазу. Таким образом, оксид азота может представлять собой один из элементов передачи гормонального действия с участием ионов кальция.

Как известно, кальций находится внутри клетки в связанном с белками состоянии и в свободной форме во внеклеточной жидкости. Идентифицированы такие внутриклеточные белки, связывающие кальций, как кальретикулин и кальсеквестрин. Внутриклеточный свободный кальций, который выполняет роль вторичного мессенджера, поступает из внеклеточной жидкости через кальциевые каналы плазматической мембраны клетки или высвобождается внутриклеточно из связи с белками. Внутриклеточный свободный кальций влияет на соответствующие киназы фосфорилаз лишь будучи связанным с внутриклеточным белком-кальмодулином (схема 3).

Схема 3. Механизм действия белковых гормонов через СА2+ (объяснения в тексте) Р – рецептор; Г – гормон; Са+белок – внутриклеточный кальций в связанной с белками форме.

Кальмодулин – рецепторный белок с высокой аффинностью к кальцию – состоит из 148 аминокислотных остатков и присутствует во всех содержащих ядро клетках. Его молекулярная масса (мол.м.) – 17000 кДа, каждая молекула имеет 4 рецептора для связывания кальция.

В состоянии функционального покоя концентрация свободного кальция во внеклеточной жидкости выше, чем внутри клетки, благодаря функционированию кальциевого насоса (АТФазы) и транспортировке кальция из клетки в межклеточную жидкость. В этот период кальмодулин находится в неактивной форме. Комплексирование гормона с рецептором приводит к повышению внутриклеточного уровня свободного кальция, который вступает в связь с кальмодулином, превращает его в активную форму и оказывает влияние на кальцийчувствительные белки или ферменты, ответственные за соответствующий биологический эффект гормона.

Повышенный уровень внутриклеточного кальция стимулирует затем кальциевый насос, который “перекачивает” свободный кальций в межклеточную жидкость, снижает его уровень в клетке, вследствие чего кальмодулин переходит в неактивную форму и в клетке восстанавливается состояние функционального покоя. Кальмодулин также воздействует на аденилатциклазу, гуанилатциклазу, фосфодиэстеразу, фосфорилазкиназу, миозинкиназу, фосфолипазу А2, Са2+- и Mg2+-АТФазу, стимулирует высвобождение нейротрансмиттеров, фосфорилирование белков мембран. Изменяя транспорт кальция, уровень и активность циклических нуклеотидов и опосредованно обмен гликогена, кальмодулин участвует в секреторных и других функциональных процессах, протекающих в клетке. Он является динамическим компонентом митотического аппарата, регулирует полимеризацию микротубулярно-ворсинчатой системы, синтез актомиозина и активацию мембран кальциевого “насоса”. Кальмодулин – аналог мышечного белка тропонина С, который путем связывания кальция образует комплекс актина и миозина, а также активирует миозин-АТФазу, необходимую для повторного взаимодействия актина и миозина.

Са2+-кальмодулиновый комплекс активирует Са2+-кальмодулинзависимую протеинкиназу, которая выполняет важную роль в передаче нервного сигнала (синтез и высвобождение нейротрансмиттеров), в стимуляции или угнетении фосфолипазы А2, активирует специфическую серин-треонинпротеиновую фосфатазу, называемую кальцинеурином, которая опосредует действие Т-клеточного рецептора в Т-лимфоцитах.

Кальмодулинзависимые протеинкиназы подразделяют на две группы: многофункциональные, которые хорошо охарактеризованы, и специфические, или “специального назначения”. К первой группе относятся такие, как протеинкиназа А, опосредующая фосфорилирование многих внутриклеточных белков. Протеинкиназы “специального назначения” фосфорилируют некоторые субстраты, такие, как киназа легкой цепи миозина, фосфорилазкиназа и др.

Протеинкиназа С представлена несколькими изоформами (мол.м. от 67 до 83 кДа), которые кодируются 10 различными генами. Классическая протеинкиназа С включает 4 различных изоформы (a-, b1-, b2- и g-изоформы); 4 других белковых изоформы (дельта,- эпсилон,- пи и oмега) и 2 атипичных белковых формы.

Классические протеинкиназы активируются кальцием и диацилглицерином, новые белковые протеинкиназы – диацилглицерином и форболовыми эфирами, а одна из атипичных протеинкиназ не отвечает ни на один из перечисленных активаторов, но для ее активности требуется наличие фосфатидилсерина.

Выше отмечалось, что гормоны, рецепторы которых имеют 7 трансмембранных фрагментов, после образования гормоно-рецепторного комплекса связываются с G-белками, имеющими небольшой молекулярный вес (20-25 кДа) и выполняющими различную функцию. Белки, взаимодействующие с рецепторной тирозинкиназой, называются ras-белками, а белки, участвующие в транспорте пузырька – rab-белками. Активированная форма представляет собой G-белок, комплексированный с ГТФ; неактивная форма ras-белка является следствием его комплексирования с ГДФ. В активировании ras-белка участвует гуаниннуклеотидный высвобождающий белок, а процесс инактивации осуществляется гидролизом ГТФ под влиянием ГТФазы. Активирование ras-белка в свою очередь посредством фосфолипазы С стимулирует образование вторичных мессенджеров: инозитолтрифосфата и диацилглицерина. Ras-белки впервые были описаны как онкогены (A.G. Gilman, 1987), так как повышенная экспрессия, или мутация, этих белков выявлена при злокачественных новообразованиях. В норме ras-белки вовлечены в различные регуляторные процессы, включая рост.

Некоторые белковые гормоны (инсулин, ИФР I и др.) свое первоначальное действие по активированию рецептора осуществляют через гормонально-чувствительную тирозинкиназу. Связывание гормона с рецептором ведет к конформационным изменениям или димеризации, которые вызывают активирование тирозинкиназы и последующее аутофосфорилирование рецептора. После гормональнорецепторного взаимодействия аутофосфорилирование усиливает как активность тирозинкиназы в другом димере, так и фосфорилирование внутриклеточных субстратов. Рецепторная тирозинкиназа является аллостерическим ферментом, в котором внеклеточный домен является регуляторной субъединицей, а внутриклеточный (цитоплазматический) домен – каталитической субъединицей. Активирование или фосфорилирование тирозинкиназы осуществляется через связывание с адапторным или SH2 белком, состоящим из двух SH2 доменов и одного SH3 домена. SH2 домены связывают специфические фосфотирозины рецепторной тирозиновой киназы, а SH3 связывают ферменты или сигнальные молекулы. Фосфорилированные белки (фосфотирозины) укорачиваются на 4 аминокислоты, что и обусловливает их специфическое высокоаффинное связывание с SH2 доменами.

Комплексы (фосфотирозиновые пептиды – SH2 домены) определяют селективность передачи гормонального сигнала. Конечный эффект передачи гормонального сигнала зависит от двух реакций – фосфорилирования и дефосфорилирования. Первая реакция находится под контролем различных тирозинкиназ, вторая – фосфотирозиновых фосфатаз. К настоящему времени идентифицировано более 10 трансмембранных фосфотирозиновых фосфатаз, которые подразделяются на 2 группы: а) большие трансмембранные белки/тендемные домены и б) небольшие внутриклеточные ферменты с одним каталитическим доменом.

Внутриклеточные фрагменты фосфотирозиновых фосфатаз отличаются большим разнообразием. Считается, что функция SH2 доменовых фосфотирозиновых фосфатаз (I и II типа) заключается в уменьшении сигнала посредством дефосфорилирования фосфорилирующих участков на рецепторной тирозинкиназе или усилении сигнала через связывание тирозинфосфорилирующих сигнальных белков на одном или обоих доменах SH2, а также передаче сигнала посредством взаимодействия одного белка SH2 с другим его белком или инактивирование процессом дефосфорилирования тирозинфосфорилированных вторичных мессенджерных молекул, таких, как фосфолипаза С-g или src-тирозинкиназа.

У некоторых гормонов передача гормонального сигнала осуществляется путем фосфорилирования остатков аминокислоты тирозина, а также серина или треонина. Характерным в этом плане является рецептор к инсулину, в котором может происходить фосфорилирование как тирозина, так и серина, причем фосфорилирование серина сопровождается снижением биологического эффекта инсулина. Функциональная значимость одновременного фосфорилирования нескольких аминокислотных остатков рецепторной тирозинкиназы не совсем понятна. Однако этим достигается модулирование гормонального сигнала, который схематически относят ко второму уровню рецепторных сигнальных механизмов. Этот уровень характеризуется активированием нескольких белковых киназ и фосфатаз (таких, как протеинкиназа С, цАМФ-зависимая протеинкиназа, цГМФ-зависимая протеинкиназа, кальмодулинзависимая протеинкиназа и др.), осуществляющих фосфорилирование или дефосфорилирование сериновых, тирозиновых или треониновых остатков, что вызывает соответствующие конформационные изменения, необходимые для проявления биологической активности.

Следует отметить, что такие ферменты, как фосфорилаза, киназа, казеиновая киназа II, ацетил-СоА карбоксилазная киназа, триглицеридная липаза, гликогенфосфорилаза, белковая фосфатаза I, АТФ цитратлиаза активируются путем процесса фосфорилирования, а гликогенсинтаза, пируватдегидрогеназа и пируваткиназа активируются процессом дефосфорилирования.

Третий уровень регуляторных сигнальных механизмов в действии гормонов характеризуется соответствующим ответом на клеточном уровне и проявляется изменением метаболизма, биосинтеза, секреции, роста или дифференцировки. Это включает процессы транспорта различных веществ через клеточную мембрану, синтез белков, стимуляцию рибосомальной трансляции, активирование микроворсинчатой тубулярной системы и транслокацию секреторных гранул к мембране клетки. Так, активирование транспорта аминокислот, глюкозы через клеточную мембрану осуществляется соответствующими белками-транспортерами через 5-15 минут после начала действия таких гормонов, как СТГ и инсулин. Различают 5 белков-транспортеров для аминокислот и 7 – для глюкозы, из которых 2 относятся к натрийглюкозным симпортерам или котранспортерам.

Вторичные мессенджеры гормонов влияют на экспрессию генов, модифицируя процессы транскрипции. Так, цАМФ регулирует скорость транскрипции ряда генов, ответственных за синтез гормонов. Это действие опосредуется цАМФ-ответным элементом активирующего белка (CREB). Последний белок (CREB) комплексируется со специфическими участками ДНК, являясь общим транскрипционным фактором.

Многие гормоны, взаимодействующие с рецепторами, расположенными на плазматической мембране, после образования гормоно-рецепторного комплекса подвергаются процессу интернализации, или эндоцитозу, т.е. транслокации, или переносу гормоно-рецепторного комплекса внутрь клетки. Этот процесс происходит в структурах, называемых “покрытые ямки”, расположенных на внутренней поверхности клеточной мембраны, выстланной белком клатрином. Агрегированные таким образом гормоно-рецепторные комплексы, которые локализуются в “покрытых ямках”, затем интернализируются путем инвагинации мембраны клетки (механизм очень напоминает процесс фагоцитоза), превращаясь в пузырьки (эндосомы или рецептосомы), а последние транслоцируются внутрь клетки.

Во время транслокации эндосома подвергается процессу ацидофикации (подобно тому, что происходит в лизосомах), результатом чего может быть деградация лиганды (гормона) или диссоциация гормоно-рецепторного комплекса. В последнем случае высвободившийся рецептор возвращается на клеточную мембрану, где он повторно взаимодействует с гормоном. Процесс погружения рецептора вместе с гормоном внутрь клетки и возврат рецептора на мембрану клетки называется процессом рециклирования рецептора. В период функционирования рецептора (период полураспада рецептора составляет от нескольких до 24 часов и более) он успевает осуществить от 50 до 150 таких “челночных” циклов. Процесс эндоцитоза является составной или дополнительной частью рецепторного сигнального механизма в действии гормонов.

Помимо этого, с помощью процесса интернализации осуществляется деградация белковых гормонов (в лизосомах) и клеточная десенситизация (снижение клеточной чувствительности к гормону) путем уменьшения количества рецепторов на клеточной мембране. Установлено, что судьба гормоно-рецепторного комплекса после процесса эндоцитоза различна. У большинства гормонов (ФСГ, ЛГ, хорионический гонадотропин, инсулин, ИФР 1 и 2, глюкагон, соматостатин, эритропоэтин, ВИП, липопротеиды низкой плотности) эндосомы внутри клетки подвергаются диссоциации. Освободившийся рецептор возвращается на мембрану клетки, а гормон подвергается процессу деградации в лизосомальном аппарате клетки.

У других гормонов (СТГ, интерлейкин-2, эпидермальный, нервный и тромбоцитарный факторы роста) после диссоциации эндосом рецептор и соответствующий гормон подвергаются процессу деградации в лизосомах.

Некоторые гормоны (трансферин, маннозо-6-фосфат, содержащие белки, и незначительная часть инсулина, СТГ в некоторых тканях-мишенях) после диссоциации эндосом возвращаются, как и их рецепторы, на клеточную мембрану. Несмотря на то, что у перечисленных гормонов имеет место процесс интернализации, нет единого мнения о непосредственном внутриклеточном действии белкового гормона или его гормоно-рецепторного комплекса.

Рецепторы к гормонам коры надпочечников, половым гормонам, кальцитриолу, ретиноивой кислоте, тироидным гормонам локализованы внутриклеточно. Перечисленные гормоны липофильны, транспортируются белками крови, имеют длительный период полураспада и их действие опосредуется гормоно-рецепторным комплексом, который, связываясь со специфическими областями ДНК, активирует или инактивирует специфические гены.

Связывание гормона с рецептором приводит к изменениям физико-химических свойств последнего, и этот процесс называется активацией или трансформацией рецептора. Изучение трансформации рецепторов in vitro показало, что температурный режим, наличие гепарина, АТФ и других компонентов в инкубационной среде изменяют скорость этого процесса.

Нетрансформированные рецепторы являются белком с молекулярной массой 90 кДа, который идентичен стрессовому или белку температурного шока с той же молекулярной массой (M. Catell и соавт., 1985). Последний белок встречается в a- и b-изоформах, которые кодируются различными генами. Аналогичная ситуация наблюдается и в отношении стероидных гормонов.

Помимо стрессового белка с мол. м. 90 кДа, в нетрансформированном рецепторе выявлен белок с мол. м. 59 кДа (M. Lebean и соавт., 1992), названный иммунофилином, который непосредственно не связан с рецептором стероидных гормонов, но образует комплексы с белком мол. м. 90 кДа. Функция белка иммунофилина недостаточно ясна, хотя его роль в регуляции функции рецептора стероидных гормонов доказана, так как он связывает иммуносупрессивные вещества (например, рапамицин и FK 506).

Стероидные гормоны транспортируются в крови в связанном с белками состоянии и лишь незначительная их часть находится в свободной форме. Гормон, находящийся в свободной форме, способен взаимодействовать с мембраной клетки и проходить через нее в цитоплазму, где связывается с цитоплазматическим рецептором, который отличается высокой специфичностью. Например, из гепатоцитов выделены рецепторные белки, связывающие только глюкокортикоидные гормоны или эстрогены. В настоящее время идентифицированы рецепторы к эстрадиолу, андрогенам, прогестерону, глюкокортикоидам, минералокортикоидам, витамину Д, тироидным гормонам, а также к ретиноивой кислоте и некоторым другим соединениям (эдиксоновый рецептор, диоксиновый рецептор, пероксисомный пролиферативный активаторный рецептор и дополнительный рецептор Х к ретиноивой кислоте). Концентрация рецепторов в соответствующих тканях-мишенях составляет 103 до 5•104 на клетку.

Рецепторы стероидных гормонов имеют 4 домена: аминотерминальный домен, имеющий значительные различия у рецепторов к перечисленным гормонам и состоящий из 100-600 аминокислотных остатков; ДНК-связывающий домен, состоящий примерно из 70 аминокислотных остатков; гормоносвязывающий домен, включающий около 250 аминокислот, и карбоксилтерминальный домен. Как отмечено, аминотерминальный домен имеет наибольшие различия как по форме, так и по аминокислотной последовательности. Он состоит из 100-600 аминокислот и наименьшие его размеры выявлены в рецепторе тироидных гормонов, а наибольшие – в рецепторе глюкокортикоидных гормонов. Этот домен определяет особенности рецепторного ответа и у большинства видов он характеризуется высокой степенью фосфорилирования, хотя нет прямой корреляции между степенью фосфорилирования и биологическим ответом.

ДНК-связывающий домен характеризуется 3 интронами, два из которых имеют так называемые “цинковые пальцы”, или структуры с содержанием ионов цинка с 4 цистеиновыми мостиками.”Цинковые пальцы” участвуют в специфическом связывании гормона с ДНК. На ДНК-связывающем домене имеется небольшая область для специфического связывания ядерных рецепторов и называемая “гормоноотвечающие элементы”, которая модулирует начало транскрипции. Эта область локализуется внутри другого фрагмента, состоящего из 250 нуклеотидов, ответственного за инициацию транскрипции. ДНК-связывающий домен обладает наибольшим постоянством структуры среди всех внутриклеточных рецепторов.

Гормоносвязывающий домен участвует в связывании гормона, а также в процессах димеризации и регуляции функции других доменов. Он непосредственно примыкает к ДНК-связывающему домену.

Карбоксилтерминальный домен также участвует в процессах гетеродимеризации, взаимодействует с различными транскриптационными факторами, включая проксимальные промоторы белков.

Наряду с этим имеются данные, что стероиды вначале связываются специфическими белками мембраны клетки, которые транспортируют их к цитоплазматическому рецептору или, минуя его, непосредственно к рецепторам ядра. Цитоплазматический рецептор состоит из двух субъединиц. В ядре клетки субъединица А, взаимодействуя с ДНК, триггирует (запускает) процесс транскрипции, а субъединица B связывается с негистоновыми белками. Эффект действия стероидных гормонов проявляется не сразу, а спустя определенное время, которое необходимо для образования РНК и последующего синтеза специфического белка.

Тироидные гормоны (тироксин-Т4 и трийодтиронин-Т3), как и стероидные, легко диффундируют через липидную клеточную мембрану и связываются внутриклеточными белками. По другим данным, тироидные гормоны взаимодействуют сначала с рецептором на плазматической мембране, где комплексируются с белками, образуя так называемый внутриклеточный пул тироидных гормонов. Биологическое действие в основном осуществляется Т3, в то время как Т4 дейодируется, превращаясь в Т3, который связывается с цитоплазматическим рецептором. Если стероидцитоплазматический комплекс транслоцируется в ядро клетки, то тироидцитоплазматический комплекс сначала диссоциирует и Т3 непосредственно связывается рецепторами ядра, обладающими к нему высокой аффинностью. Кроме того, высокоаффинные рецепторы к Т3 обнаруживаются и в митохондриях. Считается, что калоригенное действие тироидных гормонов осуществляется в митохондриях посредством генерации новой АТФ, для образования которой используется аденозиндифосфат (АДФ).

Тироидные гормоны регулируют синтез белка на уровне транскрипции и это их действие, обнаруживаемое через 12-24 часа, может быть блокировано введением ингибиторов синтеза РНК. Помимо внутриклеточного действия, тироидные гормоны стимулируют транспорт глюкозы и аминокислот через клеточную мембрану, непосредственно влияя на активность некоторых локализованных в ней ферментов.

Таким образом, специфическое действие гормона проявляется лишь после его комплексирования с соответствующим рецептором. В результате процессов по распознаванию, комплексированию и активированию рецептора последний генерирует ряд вторичных мессенджеров, которые вызывают последовательную цепь пострецепторных взаимодействий, заканчивающихся проявлением специфического биологического эффекта гормона.

Отсюда следует, что биологическое действие гормона зависит не только от его содержания в крови, но и от количества и функционального состояния рецепторов, а также от уровня функционирования пострецепторного механизма.

Количество клеточных рецепторов, как и других компонентов клетки, постоянно изменяется, отражая процессы их синтеза и деградации. Основная роль в регуляции количества рецепторов принадлежит гормонам. Имеется обратная зависимость между уровнем гормонов в межклеточной жидкости и количеством рецепторов. Так, например, концентрация гормона в крови и межклеточной жидкости очень низкая и составляет 1014-109 М, что значительно ниже, чем концентрация аминокислот и других различных пептидов (105-103 М). Количество рецепторов выше и составляет 1010-108 М, причем на плазматической мембране их около 1014-1010 М, а внутриклеточный уровень вторичных мессенджеров несколько выше – 108-106 М. Абсолютное количество рецепторных мест на мембране клетки составляет от нескольких сотен до 100 000.

Многочисленные исследования показали, что рецепторы обладают характерным свойством усиливать действие гормона не только описанными механизмами, но и посредством так называемого “нелинейного связывания”. Характерна еще одна особенность, которая заключается в том, что наибольший гормональный эффект не означает наибольшего связывания гормона рецепторами. Так, например, максимальная стимуляция инсулином транспорта глюкозы в адипоциты наблюдается при связывании гормоном лишь 2% инсулиновых рецепторов (J. Gliemann и соавт., 1975). Такие же взаимоотношения установлены для АКТГ, гонадотропинов и других гормонов (M.L. Dufau и соавт., 1988). Это объясняется двумя феноменами: ”нелинейным связыванием” и наличием так называемых “резервных рецепторов”. Так или иначе, но амплификация, или усиление действия гормона, являющееся следствием этих двух феноменов, выполняет важную физиологическую роль в процессах биологического действия гормона в норме и при различных патологических состояниях. Так, например, при гиперинсулинизме и ожирении на 50-60% снижается количество инсулиновых рецепторов, локализованных на гепатоцитах, адипоцитах, тимоцитах, моноцитах, и, наоборот, инсулиндефицитные состояния у животных сопровождаются увеличением количества рецепторов к инсулину. Наряду с количеством рецепторов к инсулину изменяется и их аффинность, т.е. способность комплексироваться с инсулином, а также изменяется трансдукция (передача) гормонального сигнала внутри рецептора. Таким образом, изменение чувствительности органов и тканей к гормонам осуществляется посредством механизмов обратной связи (down regulation). Для состояний, сопровождающихся высокой концентрацией гормона в крови, характерно уменьшение количества рецепторов, что клинически проявляется в виде резистентности к данному гормону.

Некоторые гормоны могут влиять на количество не только “собственных” рецепторов, но и рецепторов к другому гормону. Так, прогестерон уменьшает, а эстрогены увеличивают количество рецепторов одновременно и к эстрогенам, и к прогестерону.

Снижение чувствительности к гормону может быть обусловлено следующими механизмами: 1) уменьшением аффинности рецептора вследствие влияния других гормонов и гормонорецепторных комплексов; 2) снижением количества функционирующих рецепторов в результате их интернализации или высвобождения из мембраны во внеклеточное пространство; 3) инактивацией рецептора вследствие конформационных изменений; 4) разрушением рецепторов путем повышения активности протеаз или деградацией гормоно-рецепторного комплекса под влиянием ферментов лизосом; 5) угнетением синтеза новых рецепторов.

Для каждого вида гормонов имеются агонисты и антагонисты. Последние представляют собой вещества, которые способны конкурентно связывать рецептор к гормону, снижая или полностью блокируя его биологический эффект. Агонисты, наоборот, комплексируясь с соответствующим рецептором, усиливают действие гормона или полностью имитируют его присутствие, причем иногда период полураспада агониста в сотни и более раз превышает время деградации естественного гормона, а, следовательно, в течение этого времени проявляется биологический эффект, что естественно используется в клинических целях. Так, например, агонистами глюкокортикоидов являются дексаметазон, кортикостерон, альдостерон, а частичными агонистами – 11b-гидроксипрогестерон, 17a-гидроксипрогестерон, прогестерон, 21-деоксикортизол, а их антагонистами – тестостерон, 19-нортестостерон, 17-эстрадиол. К неактивным стероидам в отношении рецепторов к глюкокортикоидам относятся 11a-гидроксипрогестерон, тетрагидрокортизол, андростендион, 11a-, 17a-метилтестостерон. Эти взаимоотношения учитывают не только в эксперименте при уточнении действия гормонов, но и в клинической практике.

ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

Углеводный обмен. Глюкоза наряду с жирами и белками является источником энергии в организме. Запасы энергии в организме в виде гликогена (углеводы) невелики по сравнению с запасом энергии, представленной в виде жиров. Так, количество гликогена в организме человека весом 70 кг составляет 480 г (400 г – гликоген мышц и 80 г – гликоген печени), что эквивалентно 1920 ккал (320 ккал-гликоген печени и 1600 – гликоген мышц). Количество циркулирующей глюкозы в крови составляет всего 20 г (80 ккал).

В организме человека и животных глюкоза, абсорбированная в желудочно-кишечном тракте, поступает по системе воротной вены в печень. Транспорт глюкозы через слизистую оболочку кишечника осуществляется с помощью белкового натрий-глюкозного транспортера или симпортера, который имеет молекулярную массу 55 кДа, включает в себя 664 аминокислоты и ген, кодирующий этот белок-транспортер, локализуется на 22-й хромосоме. Связывание ионов натрия и глюкозы уравновешивается соответствующими конформационными изменениями внутренней поверхности мембраны, где количество связанных ионов натрия небольшое, и глюкоза высвобождается за счет уменьшения аффинности белков к глюкозе даже в том случае, если ее концентрация в межклеточной жидкости относительно высокая. Поступившая из кишечника глюкоза далее превращается в гликоген-полимер глюкозы, молекулярная масса которого исчисляется несколькими сотнями тысяч, тогда как молекулярная масса глюкоза равна 180 кДа.

Гликоген мышц представляет собой скопления, состоящие из отдельных частичек с молекулярной массой 2.107. В печени содержатся как отдельные, так и агрегированные частицы гликогена, их общая масса более 109, в отдельных частицах на 1 г полисахарида приходится 1,1 г воды. Кроме того, в них определяются ферменты, необходимые для синтеза и распада гликогена. Гликоген выявляется почти во всех тканях, но в основном он сохраняется, как указано выше, в качестве депо энергии в печени и мышцах. Количество его в печени подвержено большим колебаниям и зависит от диеты, а содержание гликогена в мышцах находится в прямой зависимости от физической активности индивидуума. В печени человека содержится около 400 ммоль (65 г) глюкозы на 1 кг ткани, в скелетных мышцах-85 ммоль (14 г) на 1 кг массы мышц. Это количество практически не изменяется при голодании, ночью или после приема пищи, богатой углеводами, но снижается до 1 ммоль на 1 кг после работы в течение 1-2 часов. Несмотря на то, что мышцы содержат меньше гликогена на 1кг массы ткани по сравнению с печенью, основное депо гликогена в организме находится в мышцах. У мужчины массой тела 70 кг на долю мышц приходится 28 кг, печени – всего 1,6 кг, следовательно, в печени содержится 0,6 моль, а в мышцах – 2,4 моль глюкозы.

Содержащаяся в этих двух депо глюкоза является основным и почти единственным источником питания инсулиннезависимых тканей. Так, головной мозг массой 1400 г при интенсивности кровоснабжения 60 мл/100 г в минуту потребляет 80 мг/мин глюкозы, т.е. около 115 г за 24 часа. Печень способна генерировать глюкозу со скоростью 130 мг/мин. Таким образом, более 60% глюкозы, образующейся в печени, идет на обеспечение нормальной активности центральной нервной системы, причем это количество остается неизменным не только при гипергликемии, но даже при диабетической коме. Потребление глюкозы ЦНС уменьшается лишь после того, как ее уровень в крови становится ниже 1,65 ммоль/л (30 мг%).

В синтезе одной молекулы гликогена участвуют от 2000 до 20 000 молекул глюкозы. Образование гликогена из глюкозы начинается с процесса фосфорилирования ее с помощью ферментов глюкокиназы (в печени) и гексокиназы (в других тканях) с образованием глюкозо-6-фосфата (Г-6-Ф), последующей его конверсией под влиянием фосфоглюкомутазы в глюкозо-1-фосфат (Г-1-Ф) и затем в уридиндифосфоглюкозу (УДФГ). УДФГ является донатором остатков глюкозы, которые под влиянием гликогенсинтетазы присоединяются к концевым остаткам гликогена; далее с помощью ферментов полимеризации образуются длинные цепочечные “ветвистые” (имеющие боковые цепи) структуры гликогена. Конверсия Г-6-Ф в Г-1-Ф и обратная реакция контролируются фосфоглюкомутазой. Образование УДФГ происходит при участии УДФГ-пирофосфорилазы, гликогена в присутствии гликогенсинтетазы (УДФГ-трансферазы), а ветвистой структуры гликогена – под влиянием фермента, действующего на боковые цепи гликогена (a-1, 4 гликан; a-1, 4 гликан-6-гликозилтрансфераза или a-гликангликозил-4, 6-трансфераза). Гликозил-4, 6-трансфераза катализирует процесс перемещения сегмента амилазы, состоящего из 7 или 11 остатков, от одной боковой цепи к другой. Вновь образовавшаяся боковая цепь гликогена обычно состоит из 7 остатков глюкозы; 1, 6-гликозиды содержат энергию, равную 4800 Дж/моль (1 ккал=4, 3 кДж). Процесс синтеза гликогена носит название гликогеногенеза. Концентрация гликогена в печени быстро повышается после приема большого количества пищи.

Распад гликогена носит название гликогенолиза. При этом высвобождаются глюкоза в виде Г-1-Ф и одна молекула глюкозы из каждой 1, 6 боковой цепи. Первичной является реакция фосфорилирования 1, 4 мостиков каждой боковой цепи с участием основного фермента – фосфорилазы, в результате чего происходит укорочение цепи на один остаток глюкозы, отщепляющийся в виде Г-1-Ф. Эта реакция обратима, однако для последующего распада гликогена требуется участие второго фермента – амило-1, 6-гликозидазы, в составе которого имеется глизил-4, 4-трансферазная активность, способствующая отщеплению 3 остатков и создающая условия для последующего действия фосфорилазы в области связывания 1, 4 остатков глюкозы. Наряду с этим амило-1,6-гликозидаза катализирует вторую реакцию гликогена, действуя на область связывания 1, 6 с высвобождением свободной глюкозы.

Таким образом, фосфорилаза является основным ферментом, осуществляющим контроль скорости высвобождения глюкозы. Активирование фосфорилазы довольно сложный процесс (схема 4). Активированная фосфорилаза А высвобождает из гликогена Г-1-Ф, который под действием фосфоглюкомутазы превращается в Г-6-Ф. Оба монофосфата после дефосфорилирования (соответственно ферментами глюкозо-1-фосфатазой и глюкозо-6-фосфатазой) трансформируются в глюкозу. Кроме того, глюкоза, как было указано выше, образуется непосредственно из гликогена с помощью ферментов, отщепляющих боковые цепи гликогена (амило-1,6-гликозидазы).

Окисление Г-6-Ф осуществляется гликолитическим путем (цикл Эмбдена-Меергофа) в анаэробных условиях (схема 5). Гликолитический цикл обмена глюкозы заканчивается образованием пировиноградной кислоты, которая затем конвертируется в молочную кислоту. В присутствии кислорода в митохондриях пируват декарбоксилируется в ацетил-КоА. Это превращение контролируется ферментом пируватдегидрогеназой, активность которого угнетается ацетил-КоА (конкурентно с КоА). Таким образом, в регуляции активности пируватдегидрогеназы большое значение имеет количественное содержание жирных кислот и кетоновых тел, при окислении которых количественное соотношение ацетил-КоА и КоА изменяется в пользу первого.

1 – фосфорилаза; 2 – гексокиназа; 3 – фосфоглюкомутаза; 4 – гексофосфатизомераза; 5 – фосфофруктокиназа; 6 – альдолаза; 7 – трифосфат изомераза; 8 – глицеральдегидфосфатдегидрогеназа; 9 – фосфоглицераткиназа; 10 – фосфоглицеромутаза; 11 – енолаза; 12 – пируваткиназа; 13 – лактатдегидрогеназа; 14 – гексокиназа; 15 – кетогексокиназа; 16 – кетозо-1-фосфатальдолаза.

Обмен фруктозы также осуществляется гликолитическим путем. Часть фруктозы превращается в глюкозу, другая часть под влиянием кетогексокиназы превращается во фруктозо-1-фосфат и далее в дигидроксиацетонфосфат, дальнейшие изменения которого происходят в гликолитическом цикле.

Образовавшийся в результате гликолиза в цикле Эмбдена-Меергофа ацетил-КоА (продукт окислительного декарбоксилирования пирувата) окисляется до воды и углекислого газа в цикле Кребса (лимоннокислый цикл). Этот процесс осуществляется последовательными ферментативными реакциями, в результате которых высвобождается энергия (схема 6). Полный распад одной молекулы глюкозы дает 38 молекул АТФ, причем 24 из них образуются в цикле Кребса. Ферменты этого цикла локализуются в матриксе митохондрий (в стенке внутренней мембраны). Поступивший в цикл Кребса ацетил-КоА является конечным продуктом катаболизма не только углеводов, но также липидов и таких аминокислот, как фенилаланин, тирозин, лейцин и изолейцин.

Схема 6. Цикл Кребса (лимоннокислый цикл).

Кроме того, существует прямой путь окисления глюкозы – гексозомонофосфатный (пентозный) цикл, который преобладает в эритроцитах половых железах, коре надпочечников, печени. Хотя окисление в гексозомонофосфатном цикле составляет всего 2% от обмена углеводов (при сахарном диабете может увеличиваться до 6%), для организма значение этого цикла очень велико. Особенность этого процесса – образование пентоз, накопление NADPH (2)-кофермента дегидрогеназ, участвующих в синтезе нуклеиновых кислот, холестерина, жирных кислот, активировании фолиевой кислоты и образовании АТФ. Гексозомонофосфатный цикл обеспечивает также процессы гидроксилирования, необходимые для синтеза биогенных аминов (катехоламины, серотонин) и стероидных гормонов коры надпочечников. Последовательная цепь реакций пентозного цикла (схема 7) приводит к образованию рибулозо-5-фосфата, который идет на построение нуклеотидов или серией обратных реакций преобразуется в гексозофосфаты с использованием их в гликолитическом цикле.

Схема 7. Гексозомонофосфатный (пентозный) цикл.

1 – глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа; 2 – глюконолактоназа; 3 – фосфоглюконатдегидрогеназа.

По мере расходования запасов гликогена глюкоза может ресинтезироваться из молочной кислоты (лактата), аминокислот и других соединений. Этот процесс носит название глюконеогенеза. Образование глюкозы из лактата осуществляется в печени (цикл Кори). При этом из лактата образуется пируват, далее Г-6-Ф, который превращается затем в гликоген или глюкозу в зависимости от состояния обмена веществ в организме (схема 8). Превращение лактата в глюкозу может происходить и в волокнах белых мышц, но при этом необходима высокая концентрация лактата и высокое соотношение концентраций АТФ и АДФ. Глюконеогенез в незначительной степени происходит и в почках при более низкой концентрации лактата. Образование глюкозы из лактата – энергоемкий процесс, требующий достаточного количества АТФ. В печени соотношение АТФ и АДФ составляет около 10, в других тканях оно ниже. В цикле Кори из лактата образуется пируват, далее – Г-6-Ф, который превращается в глюкозу, поступающую в кровоток и в мышцах преобразующуюся в гликоген.

Схема 8. Механизм глюконеогенеза (цикл Кори).

1 – пируваткарбоксилаза; 2 – фосфоенолпируваткарбоксилаза; 3 – фруктозо-1,6-дифосфатаза; 4 – глюкозо- 6-фосфатаза.

Важную роль в процессах глюконеогенеза играет так называемый цикл аланина, который происходит в мышечной ткани. При голодании вследствие катаболизма белков высвобождаются аминокислоты, более 50% количества которых составляет аланин. Поступая в печень, он используется там не для синтеза белка, а для образования Г-6-Ф через стадию пирувата. Некоторое количество аланина также через стадию пирувата превращается в Г-6-Ф непосредственно в мышечной ткани. В мышцах аланин образуется из пировиноградной кислоты. Основными донаторами группы NH(2) при этом являются такие аминокислоты, как лейцин, изолейцин, валин.

Таким образом, количество глюкозы в крови, оттекающей от печени, зависит в основном от двух взаимосвязанных процессов: гликолиза и глюконеогенеза, которые в свою очередь регулируются ключевыми ферментами фосфофруктокиназой и фруктозо-1, 6-бисфосфатазой соответственно. Активность этих ферментов адаптирована к пищевому и гормональному состоянию организма. Как отмечалось выше, фосфофруктокиназа является ключевым ферментом гликолиза и ее активность контролируется рядом метаболитов. За последние 10 лет многочисленными исследованиями показано, что основным таким регулятором является фруктозо-2, 6-бисфосфат – активатор фосфофруктокиназы. Прием глюкозы увеличивает количество в печени фруктозо-2, 6-бисфосфата, а глюкагон снижает его количество. Фруктозо-2, 6-бисфосфат синтезируется из фруктозо-6-фосфата и АТФ под воздействием 6-фосфофрукто-2-киназы. Этот же белок обладает также фруктозо-2, 6-бисфосфатазной активностью, которая расщепляет фруктозо-2, 6-бисфосфат на фруктозо-6-фосфат и неорганический фосфор. Таким образом, этот фермент является как бы многофункциональным и его фосфорилирование цАМФ-зависимой протеинкиназой снижает киназную и увеличивает фосфатазную активности, что приводит к уменьшению фруктозо-2, 6-бисфосфата.

Аффинность печеночной фосфофруктокиназы к фруктозо-2, 6-фосфату в 100 раз выше, чем к фруктозо-1, 6-бисфосфату и более чем в 1000 раз выше, чем к глюкозо-1, 6-бисфосфату. Помимо активирования фосфофруктокиназы фруктозо-2, 6-бисфосфат угнетает фруктозо-1, 6-бисфосфатазу, а уменьшение его количества снижает конверсию фруктозо-6-фосфата в фруктозо-1, 6-бисфосфат и повышает конверсию фруктозо-1, 6-фосфата в фруктозо-6-фосфат, что усиливает процесс глюконеогенеза.

Таким образом, метаболизм глюкозы и контроль синтеза и распада гликогена отражает баланс между инсулином и глюкагоном на определенный отрезок времени. Глюкагон, активируя цАМФ-зависимую протеинкиназу, способствует фосфорилированию фосфорилазы киназы, фосфорилазы и гликогенсинтазы, которые увеличивают процессы глюконеогенеза. Одновременное угнетение гликолиза, наблюдаемое при этом, является следствием активирования пируваткиназы, фруктозо-1, 6-бисфосфатазы и 6-фосфофрукто-2-киназы/фруктозо-2, 6-бисфосфатазы, что уменьшает количество фруктозо-2, 6-бисфосфата с ингибированием гликолиза и активированием глюконеогенеза. Инсулин же, наоборот, способствует дефосфорилированию этих ферментов, что активирует синтез гликогена и гликолиз.

Источниками ресинтеза глюкозы также служат глицерин, образующийся при обмене липидов, и некоторые промежуточные продукты цикла Кребса – лимонная, кетоглутаровая, но в большей степени щавелевоуксусная кислоты.

Обмен глюкозы частично осуществляется и через образование глюкуроната (глюкуронатный цикл), который посредством промежуточных стадий ксилулозо-5-фосфата взаимосвязан с гексозомонофосфатным циклом. Глюкуронатный цикл у всех млекопитающих, кроме человека и морской свинки, является местом эндогенного образования аскорбиновой кислоты (витамин С). Глюкуронаты образуются в толстой кишке в процессе бактериального расщепления полисахаридов, поступают в печень, где и включаются в глюкуронатный цикл.

Необходимо отметить, что частично обмен глюкозы в организме осуществляется через образование полиолов (полиоловый путь). Последние относятся к спиртам и образуются посредством отщепления карбоксильной группы альдоз и кетоз при участии альдозоредуктазы либо полиолдегидрогеназы. Этим путем глицеральдегид превращается в глицерин, глюкоза – в сорбитол, галактоза – в галактитол (дульцитол), ксилоза – в ксилит, арабиноза – в арабитол. В качестве кофермента при образовании полиолов используется NADPH. Этот обмен глюкозы происходит, в частности, в периферических нервах, где концентрация сорбитола выше, чем в других органах. Затем сорбитол при участии фермента сорбитолгидрогеназы может окисляться с образованием фруктозы. В хрусталике глаза глюкоза может непосредственно преобразоваться во фруктозу. Оба соединения (сорбитол и фруктоза) способствуют накоплению воды в тканях вследствие гиперосмолярности, что имеет патогенетическое значение в развитии поздних осложнений сахарного диабета.

Наряду с глюкозой большое значение в обеспечении организма энергией имеют жиры. При голодании энергетические расходы в основном покрываются за счет жиров, тогда как глюкоза сохраняется для снабжения энергией мозга. Жирные кислоты угнетают поглощение глюкозы мышцами. При гипогликемии происходит мобилизация жирных кислот и увеличение окисления их в мышцах при одновременном снижении утилизации глюкозы, а прием углеводов и повышение уровня глюкозы в крови приводят к снижению липолиза и усилению липогенеза. Цикл глюкоза – свободные жирные кислоты (цикл Рэндла) является одним из механизмов, обеспечивающих гомеостаз глюкозы. Концентрация кетоновых тел также имеет прямое отношение к регуляции содержания глюкозы в крови.

Ацетил-КоА, являясь конечным продуктом гликолитического цикла, может использоваться как источник энергии (в цикле Кребса), а также участвовать в синтезе триглицеридов, холестерина, стероидов и образовании кетоновых тел (схема 9).

Схема 9. Участие ацетил-КоА в процессах метаболизма.

Основное место в гормональной регуляции гомеостаза глюкозы в организме отводится инсулину, под влиянием которого активируются ферменты фосфорилирования глюкозы (глюкокиназа в печени и гексокиназы в мышечной, жировой и других тканях), катализирующие образование Г-6-Ф. При увеличении его количества повышается активность процессов, для которых он является исходным продуктом (гексозомонофосфатный цикл и анаэробный гликолиз). Инсулин увеличивает долю участия глюкозы в процессах образования энергии при неизменном общем уровне энергопродукции. Активация Г-6-Ф, инсулином гликогенсинтетазы и гликогенветвящего фермента способствует увеличению синтеза гликогена. Наряду с этим инсулин оказывает ингибирующее влияние на глюкозо-6-фосфатазу печени и тормозит таким образом выход свободной глюкозы в кровь. Конечным результатом действия инсулина (при его избытке) является гипогликемия, стимулирующая секрецию гормонов-антагонистов инсулина, к которым относятся адреналин, норадреналин, глюкагон, CТГ, глюкокортикоидные и тироидные гормоны.

При относительной или абсолютной инсулиновой недостаточности нарушаются процессы поступления глюкозы в инсулинзависимые ткани, снижается окислительное фосфорилирование и образование Г-6-Ф, в последующем нарушаются гликолитическое окисление глюкозы, цикл Кребса и гексозомонофосфатный (пентозный) цикл, угнетается синтез гликогена и усиливается гликогенолиз.

Катехоламины стимулируют гликогенолиз в печени и мышцах. Увеличение синтеза цАМФ под влиянием катехоламинов и в большей степени адреналина активирует фосфорилазу печени, распад гликогена и образование большого количества свободной глюкозы. При этом увеличиваются поглощение кислорода, затраты энергии в связи с усилением сердечной деятельности, повышением мышечного тонуса и окислением молочной кислоты в печени.

Глюкагон, подобно адреналину, активирует аденилатциклазу, образование цАМФ, фосфорилазу, гликогенолиз и выход глюкозы из печени в кровяное русло. Это влияние намного сильнее, чем у адреналина. Однако глюкагон не действует на мышечную фосфорилазу, а следовательно, не мобилизует гликоген мышц. Гипергликемический эффект глюкагона является результатом стимуляции печеночного гликогенолиза и глюконеогенеза, индукции секреции адреналина, торможения проникновения глюкозы в мышцы.

Гормон роста увеличивает выход глюкозы в печеночные вены, усиливает глюконеогенез, уменьшает поглощение глюкозы на периферии, а также усиливает липолиз, в результате чего в крови повышается концентрация свободных жирных кислот, которые подавляют действие инсулина на мембранный транспорт глюкозы.

Глюкокортикоиды стимулируют катаболизм белков и глюконеогенез, повышают содержание гликогена в печени и в меньшей степени в мышцах, уменьшают мембранный транспорт глюкозы и ее утилизацию на периферии. Гипергликемическое действие АКТГ опосредуется в основном через глюкокортикоиды.

Жировой обмен. Жиры являются одним из основных источников энергии: 40-50% энергопродукции организма обеспечивается триглицеридами (триацилглицерины), на долю которых приходится более 95% всех липидов. В организме нормального человека с массой 70 кг на долю жировой ткани приходится 12 кг (110 000 ккал). Наряду с этим в крови определяется дополнительно 3 г триглицеридов (30 ккал), 0,3 г свободных жирных кислот (3 ккал) и 0,2 г кетоновых тел (0,8ккал). Период полураспада жирных кислот составляет несколько минут. Жиры, поступившие в кишечник с пишей, под влиянием гидролитических ферментов и желчи эмульгируются до мельчайших капель, специфические липазы, действующие на их поверхности, гидролизуют триглицериды, эфиры холестерина и фосфоглицериды до жирных кислот, диацилглицеринов, 2-моноацилглицеринов, глицерина, холестерина, лизофосфатидилхолина. Таким образом, в желудочно-кишечном тракте абсорбируется 40% холестерина и более 85% триглицеридов, поступающих с пищей. Перечисленные вещества, связываясь с желчными кислотами, образуют смешанные мицеллы, размеры которых на несколько порядков меньше, чем размеры частиц эмульсии. Такие мицеллы всасываются клетками эпителия тонкой кишки, в которых составные части мицеллы вступают друг с другом в реакции синтеза, в результате чего образуются простые и сложные липиды. Липиды и липопротеиды, синтезированные в эпителиальных клетках кишечника, образуют липидные капли, называемые хиломикронами. Они проникают в лимфатические сосуды и придают лимфе характерный вид молока. Лимфа, содержащая большое количество хиломикронов, через грудной проток попадает в венозную кровь. Водорастворимые жирные кислоты с короткой углеродной цепью и некоторая часть глицерина всасываются капиллярами портальной системы.

В плазме липиды представлены в виде триглицеридов, эстерифицированного и свободного холестерина, фосфолипидов. Липиды плазмы с помощью различных методов (электрофорез) разделяют на 5 классов: 1) хиломикроны; 2) липопротеиды очень низкой плотности (ЛОНП); 3) липопротеиды средней плотности (ЛСП); 4) липопротеиды низкой плотности (ЛНП); 5) липопротеиды высокой плотности (ЛВП, подразделяющиеся на два подкласса – ЛВП2 и ЛВП3). Химический состав липопротеидов плазмы представлен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав липопротеидов плазмы (% сухой массы)

Белки, входящие в состав липопротеидов, называются аполипопротеидами (табл. 2).

Таблица 2

Аполипротеиды плазмы человека

Липиды плазмы транспортируются в виде специальных агрегатов – липопротеидов. В таких агрегатах различают сердцевину и оболочку. Сердцевина в свою очередь состоит из триглицеридов, эфиров холестерина В и эфиров жирных кислот, оболочка – из фосфолипидов, свободного холестерина и аполипопротеидов, обеспечивающих распознавание соответствующих рецепторов на поверхности клеток и активацию указанных выше ферментов.

Образование хиломикронов в кишечнике происходит при обязательном участии аполипопротеида В-48 (апо-В-48), который синтезируется в эпителиальных клетках кишечника. В состав хиломикронов, помимо апо-В-48, входит небольшое количество аполипопротеинов группы А. После попадания лимфы в грудной проток хиломикроны взаимодействуют с ЛВП, носителями аполипопротеидов группы С и Е; при участии липопротеидной липазы (ЛПЛ) триглицериды, содержащиеся в хиломикронах, гидролизуются на глицерин и свободные жирные кислоты (СЖК). ЛПЛ присутствуют на эндотелиальных поверхностях клеток мышцы сердца, жировой ткани и мышц скелета. СЖК способны проникать в клетки, где используются как источник энергии или участвуют в процессах липогенеза.

ЛОНП синтезируются в печени. Их сердцевина состоит из триглицеридов и эфиров холестерина. Белки, входящие в состав оболочки, представлены апо-В-100, апо-Е и апо-С. ЛОНП служат источником образования ЛСП и ЛНП.

ЛНП являются переносчиками эфиров холестерина, необходимого для синтеза стероидных гормонов, образования желчных кислот. Этот класс липопротеидов ответствен за транспорт 70% холестерина плазмы. В состав оболочки ЛНП входит апо-В-100, способный распознать соответствующий рецептор к ЛНП, синтез которого контролируется геном, расположенным на 19-й хромосоме. После взаимодействия ЛНП с рецептором образующийся комплекс проникает внутрь клетки, где в области лизосом под влиянием лизосомальных ферментов происходит гидролиз сердцевины и высвобождение свободного холестерина.

ЛВП образуются в печени и содержат фосфолипиды, свободный холестерин, апо-Е, апо-С и небольшое количество апо-А-1. ЛВП связывают свободный холестерин на периферии и транспортируют его к печени. ЛВП содержат ЛХАТ (лецитин/холестерин ацилтрансфераза), которая активирует перенос ацетиловой группы фосфолипидов на свободный холестерин, осуществляя эстерификацию холестерина. Эфиры холестерина депонируются во многих тканях организма (кора надпочечников и др.) и по мере необходимости используются для биосинтеза соответствующих веществ.

Выше указывалось, что в результате обмена углеводов образуются ацетил-КоА, АТФ, NADPH (2), глицерол-3-фосфат, используемые для синтеза жира, и количество липидов, накапливающихся в жировых депо, в большей степени зависит от содержания в пищевом рационе углеводов, а не жиров.

Липогенез – процесс синтеза жирных кислот, интенсивно протекающий в печени и жировой ткани. Следует отметить, что биосинтез липидов осуществляется в основном в цитоплазме клетки и лишь незначительная их часть, как считают некоторые авторы, образуется в митохондриях.

Образовавшийся в митохондриях ацетил-КоА способен проникать через их мембрану в цитоплазму только после взаимодействия с оксалоацетатом и образования цитрата, который достигает цитоплазмы, где вновь превращается в ацетил-КоА и оксалоацетат. Таким образом, оксалоацетат выполняет функцию катализатора, способствуя переносу ацетильной группы из интрамитохондриального пространства в цитозоль, где при участии ацетил-КоА-карбоксилазы происходит карбоксилирование ацетил-КоА с образованием малонил-КоА. Последний, взаимодействуя с комплексом жирные кислоты – белок при участии АТФ и КоА, превращается в комплекс жирнокислотный ацетил-КоА, что является необходимой стадией образования триглицеридов.

Карбоксилирование ацетил-КоА является важным регулятором синтеза жирных кислот и на всех последующих этапах липогенеза участвуют либо малонил-КоА, либо ацетил-КоА. Так под влиянием синтетазы жирных кислот и при использовании одной молекулы ацетил-КоА и 7 молекул малонил-КоА образуется пальмитил-КоА, способный к разнообразным превращениям. При потере одной молекулы СО2 и КоА образуется пальмитиновая кислота, молекула которой содержит 16 атомов углерода. Путем удлинения цепи в митохондриях или в плазматическом ретикулуме до 18 атомов углерода пальмитиновая кислота может быть превращена в стеариновую, а после десатурации она же преобразуется в пальмитоолеиновую и олеиновую кислоты.

При эстерификации жирных кислот с глицерином образуются триглицериды, причем в реакции участвует не свободный глицерин, а его производное – глицерол-3-фосфат, образующийся в печени из глицерина при участии глицеролкиназы. Эстерификация жирных кислот в жировой ткани может происходить лишь при достаточном поступлении дигидроксиацетонфосфата, который образуется в процессе гликолиза и конвертируется в глицерол-3-фосфат при участии глицерофосфатдегидрогеназы.

В печени и жировой ткани инсулин увеличивает синтез жирных кислот и триглицеридов. При эндогенном биосинтезе триглицеридов, кроме глюкозы, могут использоваться соединения, образующиеся из гликогенных аминокислот. Липогенез в печени контролируется тиротропным гормоном и гормонами щитовидной железы. Так, после гипофизэктомии синтез липидов печенью уменьшается и восстанавливается после введения тироксина.

Липолиз – процесс гидролиза липидов с образованием неэстерифицированных жирных кислот и глицерина – катализируется внутриклеточной гормональнозависимой липазой (триацилглицериновая липаза), которая воздействует на триглицериды и стимулируется цАМФ. Липаза лимитирует скорость липолиза, а образование цАМФ под влиянием аденилатциклазы находится в свою очередь под контролем различных гормонов.

Мембрана адипоцитов содержит рецепторы, взаимодействующие с гормонами, обладающими липолитическими свойствами (катехоламины, АКТГ, СТГ), и рецепторы к инсулину. В результате действия липолитических гормонов повышается активность аденилатциклазы, увеличивается образование цАМФ, активизируются ЛПЛ и липолиз жира. Взаимодействие инсулина с соответствующими рецепторами, наоборот, приводит к угнетению аденилатциклазы, снижению концентрации цАМФ и торможению липолиза. Липолиз увеличивается во время голодания, при продолжительной работе, охлаждении, стрессе. Липолитическое действие катехоламинов (адреналина, норадреналина) и глюкагона осуществляется путем активации аденилатциклазы. С физиологической точки зрения, роль норадреналина в процессе липолиза представляется более важной, чем адреналина. Он образуется в адренергических нервных окончаниях в жировой ткани и обеспечивает мобилизацию жирных кислот.

Гормон роста оказывает мощное липолитическое действие, которое отличается от действия катехоламинов. Он вызывает увеличение концентрации свободных жирных кислот в плазме через 2-3 часа. Это действие, отмечающееся при введении даже небольших доз СТГ, по-видимому, связано с торможением процесса реэстерификации свободных жирных кислот. Тем не менее СТГ оказывает определенное модулирующее влияние и на активность аденилатциклазы.

Другие гипофизарные гормоны (АКТГ, ТТГ, меланоцитостимулирующий гормон) также оказывают липолитическое действие, хотя и менее выраженное, чем у СТГ. Большинство авторов считают, что оно осуществляется путем активации аденилатциклазы и повышения скорости образования цАМФ.

Тироидные гормоны и кортикостероиды оказывают пермиссивное (разрешающее) действие на липолиз, поскольку липолитический и калоригенный эффекты катехоламинов не проявляются в отсутствие кортикостероидов и тироидных гормонов. Имеются данные о том, что ТТГ, АКТГ, гормоны щитовидной железы и коры надпочечников индуцируют синтез аденилатциклазы и, следовательно, принимают непосредственное участие в стимуляции липолиза. Кроме того, тироидные гормоны влияют на активность ацил-КоА-синтетазы, локализующейся в митохондриях, и цитоплазматического фермента глицеролфосфатдегидрогеназы. Эти ферменты участвуют в регуляции скорости липолиза и липогенеза.

Как уже отмечалось, инсулин обладает характерным антилиполитическим свойством, и при сахарном диабете вследствие увеличения липолиза повышается концентрация свободных жирных кислот в плазме, снижению которой способствует инсулинотерапия.

Белковый обмен. Белки в организме также являются источником энергии. Они содержатся главным образом в мышцах и их количество составляет в организме здорового человека массой 70 кг около 6000 г, что соответствует 24 000 ккал. Циркуляция их в крови в виде аминокислот незначительна и составляет всего 6 г, или 24 ккал. Белки – необходимый компонент любой ткани организма – поступают в организм с пищей и в желудочно-кишечном тракте после воздействия на них ферментов (пепсина, трипсина) гидролизуются до небольших пептидов и аминокислот, которые затем всасываются в кровь и лимфу. В организме человека для синтеза пуринов, пиримидинов, порфиринов используются только аминокислоты, поэтому все поступающие с пищей белки должны быть диссоциированы в различных ферментативных реакциях до отдельных аминокислот.

Некоторые аминокислоты могут синтезироваться в организме, поэтому называются заменимыми: аланин, аспарагиновая кислота, цистеин, глутаминовая кислота, глицин, пролин, серин, тирозин, аспарагин, глутамин; другие же не могут быть синтезированы и называются незаменимыми: лейцин, изолейцин, валин, лизин, метионин, фенилаланин, триптофан, треонин, гистидин, аргинин (гистидин и аргинин синтезируются в организме взрослого человека).

Синтез белка – сложный процесс, происходящий постоянно. Информация о структуре любого белка данного организма хранится в хромосомах в виде генетического кода. При поступлении сигнала о необходимости синтеза определенного белка с участка ДНК, на котором закодирована структура данного белка, при участии фермента РНК-полимеразы начинает образовываться мРНК. Процесс образования мРНК называется “транскрипция”. Если молекула ДНК относительно стабильна, то период полураспада мРНК составляет 2-80 ч (время, необходимое для синтеза белка).

Образовавшаяся мРНК покидает ядро и направляется к рибосомам, где и осуществляется синтез белка. На рибосомах локализуются рибосомальная РНК (рРНК) и транспортная РНК (тРНК), которые вместе участвуют в процессе считывания информации, заложенной в мРНК, и“сборки” нового белка. Обычно рРНК и метионил-тРНК присоединяются к специальной точке мРНК, и с этого момента начинается их движение вдоль молекулы мРНК, во время которого “считываются” триплетные кодоны и начинается “сборка” полипептидной цепи нового белка.

Аминокислоты могут использоваться рибосомами лишь после их активации соответствующими ферментами, число которых по всей вероятности соответствует количеству аминокислот.

Гормоны влияют на скорость синтеза белка несколькими путями: повышением или снижением активности ферментов, участвующих в процессе “сборки” белковой молекулы, изменением транспорта аминокислот, необходимых для синтеза белка, повышением активности и скорости образования рибосом, осуществляющих синтез белка, повышением скорости начала образования полисом, повышением активности РНК-полимеразы и скорости образования мРНК. Некоторые вещества могут в той или иной степени ингибировать перечисленные процессы. Так, актиномицин, связываясь с ДНК, угнетает синтез мРНК и таким образом препятствует действию гормонов на процессы транскрипции. Пуромицин угнетает синтез белка, влияя на тРНК, и ингибирует гормональную регуляцию процессов трансляции.

Наряду с процессами синтеза белка в организме постоянно протекают процессы белкового катаболизма, конечным продуктом которого у человека является мочевина. Аммиак, образующийся в большинстве клеток в процессе катаболизма аминокислот, наряду с другими азотсодержащими веществами превращается в печени в мочевину в цикле Кребса-Гензелейта (схема 10). При этом аммиак транспортируется в печень не в свободной форме, а детоксицируется глутаматом с образованием глутамина под влиянием фермента глутаминсинтетазы. В митохондриях печени глутамин при участии глутаминазы вновь диссоциирует на аммиак и глутамат. Последний возвращается в ткани, а аммиак используется для образования карбамоилфосфата с помощью фермента карбамоилфосфатсинтетазы.

Схема 10. Образование мочевины в цикле Кребса-Гензелейта. Объяснение в тексте.

1 – глутаминаза; 2 – карбамоилфосфатсинтетаза; 3 – орнитинкарбамоилтрансфераза; 4 – аргининсукци- натсинтетаза; 5 – аргининсукцинатлиаза; 6 – аргиназа.

Другим основным для начального биосинтеза мочевины митохондриальным ферментом является орнитинкарбамоилтрансфераза, катализирующая образование цитрулина из карбамоилфосфата и орнитина. Цитрулин через митохондриальную мембрану проникает в цитоплазму клетки, где взаимодействует с аспартатом при участии аргиносукцинатсинтетазы, в результате чего образуется аргиносукцинат, который под воздействием аргиносукцинатлиазы диссоциирует на аргинин и фурамат. Аргинин с помощью аргиназы распадается на мочевину и орнитин, транспортируемый обратно в митохондрии, где он вступает в новый цикл образования цитрулина. Для образования одной молекулы мочевины в цикле Кребса-Гензелейта используется 4 молекулы АТФ (Бонди Ф., Розенберг Л., 1980).

В зависимости от путей катаболизма различают глюкогенные, кетогенные и смешанные аминокислоты. Кетогенной аминокислотой является лейцин, который распадается на ацетоуксусную кислоту и ацетил-КоА, вызывающие повышение уровня кетоновых тел в крови. Изолейцин, лизин, фенилаланин и тирозин – глюкогенные и кетогенные аминокислоты. Фенилаланин и тирозин распадаются на фурамат и ацетоацетат, которые могут быть использованы в процессах глюконеогенеза. К глюкогенным аминокислотам относятся аланин, аргинин, аспарагиновая кислота, цистеин, глутаминовая кислота, глицин, гистидин, гидроксипролин, метионин, серин, треонин, триптофан, валин. Продукты распада этих аминокислот участвуют в процессах глюконеогенеза.

Количество аминокислот в сыворотке крови поддерживается постоянно на определенном уровне за счет поступления их из желудочно-кишечного тракта и депо, которыми являются печень и мышцы. В мышцах содержится более 50% общего количества свободных аминокислот организма. Наиболее мобильны из них аланин и глутамин, составляющие более 50% всех аминокислот, высвобождающихся из мышц. Аланин синтезируется в мышцах путем трансаминирования пирувата. Глутамин поступает в почки, где отщепляющийся азот используется для образования аммиака. Аланин же задерживается печенью, где быстро конвертируется в глюкозу через образование пирувата. Последний процесс получил название цикла аланина и наряду с циклом лактата (цикл Кори) имеет большое значение в процессах глюконеогенеза. Взаимоотношения этих двух циклов представлены на схеме 11.

Схема 11. Взаимосвязь между циклом лактат-глюкоза (цикл Кори) и циклом аланин-глюкоза.

Эндокринная система участвует в регуляции белкового обмена как непосредственно, так и опосредованно – путем первичного влияния на углеводный, жировой и минеральный обмен.

По воздействию на белковый обмен все гормоны можно разделить на две большие группы: 1) гормоны, первичное действие которых – стимуляция процессов транскрипции – проявляется в ядре клетки (стероидные и тироидные гормоны); 2) гормоны, стимулирующие процессы трансляции, происходящие дистальнее ядра клетки.

Анаболическое действие инсулина заключается в ускорении проникновения аминокислот через мембрану клетки и включения их в белки, что вызывает снижение уровня аминокислот в крови. Это действие инсулина не зависит от синтеза РНК и не угнетается актиномицином. Инсулин снижает активность аминотрансфераз и ферментов цикла мочевины. Последний эффект инсулина характеризуется повышением активности РНК-полимеразы и концентрации РНК в печени. При этом увеличивается скорость образования полисом и рибосом.

Действие инсулина на синтез белка в печени противоположно действию глюкагона, который усиливает катаболизм аминокислот и мобилизует их для процессов глюконеогенеза.

Основным эффектом действия гормона роста является стимуляция анаболичесих процессов, чем и обусловливается ускорение роста скелета при гиперсекреции этого гормона. Он, так же как инсулин, стимулирует транспорт аминокислот и их включение рибосомами в белки, повышает скорость образования полисом и рибосом, активность РНК-полимеразы, увеличивает количество РНК в клетках, что сопровождается повышением скорости синтеза белков. Гормон роста угнетает активность ферментов, разрушающих аминокислоты, повышает уровень инсулиноподобных факторов роста I и II (ИФР I и II) в сыворотке крови, стимулирует синтез коллагена в костях, коже, других органах и тканях организма.

Введение в кровь тироидных гормонов сопровождается усилением основного обмена, тахикардией, уменьшением содержания гликогена в мышце сердца, увеличением чувствительности тканей к липолитическому действию адреналина. Влияние тироидных гормонов на обмен веществ обнаруживается лишь через 48 часов и более, т.е. значительно позже, чем действие инсулина и СТГ.

Усиление основного обмена после введения тироидных гормонов является следствием увеличения количества и размера митохондрий, количества рибосом, содержания в них цитохрома и образования митохондриальной мембраны. Тироидные гормоны не влияют на транспорт аминокислот. Под действием этих гормонов возрастает активность ферментов, в том числе глицеролфосфатдегидрогеназы, цитохромоксидазы, цитохрома С, NAD-изолимонной дегидрогеназы, а также РНК-полимеразы и увеличивается синтез РНК (включая мРНК).

Под влиянием эстрогенов увеличивается содержание РНК, особенно в тканях-мишенях, и количество белка, повышаются активность РНК-полимеразы и скорость синтеза РНК. Считается, что после связывания эстрогенов с негистоновыми белками хроматина ядра происходит стимуляция определенной области генома, образование новых видов РНК и некоторых специфических (кислых) белков. Длительность первой фазы действия эстрогенов от нескольких минут до 1-2 ч. После этого вновь образовавшиеся белки увеличивают содержание РНК, что приводит к усилению синтеза белка. Длительность второй фазы гормонального эффекта составляет 4 ч и более.

Андрогены оказывают на белковый обмен такое же действие, как и эстрогены. Кроме того, тестостерон и другие андрогены влияют на развитие мышечной ткани, улучшая транспорт аминокислот и повышая активность РНК-полимеразы.

При введении больших доз глюкокортикоидов наблюдается быстрое уменьшение мышечной массы и снижение скорости включения аминокислот в белки мышц, селезенки, костной ткани, отмечается снижение активности РНК-полимеразы и способности изолированных рибосом поглощать (включать) аминокислоты. Эти изменения не распространяются на печень, где увеличивается синтез ферментов, участвующих в процессах глюконеогенеза и разрушения аминокислот, в том числе глюкозо-6-фосфатазы, фосфоенолпируваткарбоксикиназы, пируваткарбоксилазы и др.

Таким образом, гормоны регулируют все виды обмена веществ (углеводный, жировой, белковый, минеральный и др.), поддерживая постоянство внутренней среды, которое, как установил еще Клод Бернар, является непременным условием жизнедеятельности организма.