СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БИОМОЛЕКУЛ - А. Е. Земляков - 2017

06. БИОРЕГУЛЯТОРЫ: ГОРМОНЫ И НЕЙРОПЕПТИДЫ

❖ Гормоны - биологически активные регуляторы, синтезируемые клетками организма и действующие на клетки других частей организма.

В начале ХХ в. английскими физиологами Э. Старлингом и У. Бейлиссом была выдвинута гипотеза, что секреция поджелудочной железы стимулируется специальным веществом, которое выделяется двенадцатиперстной кишкой. Такое вещество, названное секретином, было найдено, а подобные вещества назвали гормонами.

Большинство из гормонов образуются в специальных органах - железах внутренней секреции, например, адреналин в надпочечниках, инсулин в поджелудочной железе. Гормоны доставляются кровью к клеткам-мишеням, имеющим на своей поверхности рецепторы - структуры, специфически связывающуюся с гормонами и формирующую биологический ответ внутри клетки.

Гормональная система параллельно с нервной системой служит для передачи информации в организме. В качестве гормонов выступают химические соединения различной природы: стероиды, амины, производные жирных кислот, а также белки и пептиды.

❖ Классификация гормонов.

• По месту секретирования:

♦ гормоны щитовидной железы,

♦ гормоны надпочечников,

♦ гормоны гипофиза,

♦ половые гормоны,

♦ тканевые гормоны и др.

✵ По химической природе:

♦ пептидные и белковые гормоны - инсулин, нейропептиды и др.

♦ стероидные гормоны - гормоны коркового вещества надпочечников, половые гормоны.

♦ аминокислоты и продукты их превращения - тироксин и др. гормоны щитовидной железы, катехоламины.

Пептидные гормоны

❖ Инсулин - гормон, синтезируемый в поджелудочной железе и регулирующий углеводный обмен в организме, в частности снижающий уровень сахара в крови. Недостаток его выработки приводит к «сахарному диабету». Первоначально образуется в виде прегормона - одноцепочечного белка, содержащего сигнальный пептид, с которого начинается биосинтез.

Под действием специфических ферментов превращается в прогормон (проинсулин), содержащий в отличие от инсулина дополнительную пептидную цепь, способствующую правильной пространственной укладке белка и обеспечивающую формирование определенных S-S-связей. Отщепление этой цепи дает инсулин, состоящий из двух цепей: А-цепь из 21 а. о. и В-цепь из 30 а. о., и содержащий три дисульфидных мостика.

Огромный вклад в изучение строения инсулина внесли Нобелевские лауреаты Ф. Сенгер, разработавший методику установления первичной структуры белков, и Д. Кроуфут-Ходжкин, изучившая рентгеноструктурным методом пространственную структуру этого белка и ряда других биологически активных соединений.

В качестве мишеней для инсулина выступают мембранные рецепторы IR_А и IR_B, связанные с тирозинкиназой. Активация инсулиновых рецепторов в конечном итоге приводит к синтезу специфических белков, участвующих в регуляции углеводного обмена.

В 1922 г. было впервые осуществлено лечение больных инсулином животных. На следующий год руководителям этих исследователей канадскому профессору Дж. Маклеоду и шотландскому врачу Ф. Бантингу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.

В настоящее время для лечебных целей инсулин получают из экстрактов поджелудочных желез свиней или телят. Однако гормоны этих животных отличаются от инсулина человека, так инсулин свиньи содержит в В-цепи Аlа-30, а инсулин человека - Тhr-30. Даже такие небольшие различия в структуре при длительном приеме препарата оказывают побочные эффекты.

Первый химический синтез инсулина был осуществлен в 1963 г. под руководством немецкого биохимика Г. Цана, но общий выход белка не составил даже 0,1%.

В 80-х годах прошлого века швейцарские химики предложили метод преобразования инсулина свиньи в инсулин человека, в основе которого лежит использование иммобилизованного фермента, специфически отщепляющего с С-конца В-цепи остаток аланина.

В 1982 г. под руководством канадского биохимика М. Смита было реализовано получение инсулина человека в дрожжевой культуре, за что он был удостоен в 1993 г. Нобелевской премии по химии. В настоящее время основное количество человеческого инсулина получают генно-инженерным способом.

❖ Тканевые гормоны (кинины) (от греч. kineo - двигаю, побуждаю) - гормоны, образующиеся в плазме крови и влияющие на сокращение гладкой мускулатуры, а значит и регулирующие кровяное давление.

✵ Ангиотензин. Известно, что почки участвуют в регуляции артериального кровяного давления. В частности, из коры почек выделяется фермент ренин, способный отщеплять из глобулинового белка плазмы ангиотензиногена (состоит из 453 а. о.) декапептид ангиотензин-I (АТ-I).

Ангиотензин-1 под действием фермента ангиотензинконвертазы (АТС) теряет по С-концу две аминокислоты и превращается в активное вещество ангиотензин-11 (АТ-II). Взаимодействие АТ-II со специфическими АТ1- рецепторами клеток стенок сосудов приводит к сужению сосудов и, соответственно, повышению кровяного давления.

Как и у многих других гормонов, действие ангиотензина-II многогранно - кроме повышения артериального давление он стимулирует секрецию корой надпочечников стероидного гормона альдостерона, а как нейропептид вызывает ощущение жажды.

Ангиотензинконвертаза способна также отщеплять дипептид от еще одного тканевого гормона - брадикинина (см. ниже), тем самым, дезактивируя его. Брадикинин, действуя на специфические рецепторы, участвует в снижении артериального давления. Таким образом, конечным результатом расщепления под действием АТС как ангиотензина-1, так и брадикинина является повышение артериального давления.

✵ Гипотензивные лекарственные средства. На основе изученного механизма регулирования артериального давления было определено несколько возможных путей борьбы с гипертонической болезнью:

♦ ингибирование ренина;

♦ ингибирование ангиотензинконвертазы;

♦ блокирование специфических рецепторов ангиотензина-II.

К настоящему времени в наибольшей степени разработан второй из представленных выше подходов. В 70-х годах прошлого века был получен первый синтетический блокатор АТС - каптоприл, представляющий собой продукт N-ацилирования пролина (S)-2-метил-3-сульфанилпропановой кислотой. Более эффективным является аналог этого препарата эналаприл, обеспечивающий гипотензивный эффект при одноразовом суточном приеме. Эналаприл относят к пролекарствам - в организме этоксильная группа гидролизуется, образуя активную лекарственную форму.

В последнее десятилетие в медицинской практике все шире используются блокаторы AT1-рецепторов. Первый непептидный блокатор этого типа - лозартан. Однократный прием его обеспечивает действие в течение суток. В организме он превращается в более активный метаболит. Кандесартан, являющийся бензимидазольным аналогом лазартана, действует в 10-25 раз меньших дозах.

✵ Каллидин и брадикинин - два структурно близких гормона (каллидин дополнительно содержит остаток Lys по N-концу), снижающие кровяное давление. Образуются из глобулинов плазмы крови (кининогенов) под действием ферментов каликреинов. Каллидин, в свою очередь, при взаимодействии с аминопептидазами превращается в брадикинин. В организме эти кинины оказывают преимущественно местное действие, т. к. они быстро гидролизуются ферментами - кининазами. Например, время полужизни брадикинина в плазме крови человека 13-18 с. В 1 мл плазмы крови человека в норме содержится до 0,002 мкг этих биопептидов.

Брадикинин также участвует в работе нервной системы. Его дез-Аrg⁹- производное является одним из медиаторов боли. Реализация биологических эффектов осуществляется путем взаимодействия со специфическими брадикининовыми рецепторами В₁ (болевой эффект) и В₂ (регуляция артериального давления). Один из путей дальнейшей передачи сигнала от рецептора В₁ заключается в активации биосинтеза простагландинов.

❖ Нейропептиды - пептиды, обнаруженные в головном мозге и способные влиять на функции нервной системы. Они регулируют практически все функции центральной нервной системы - болевую чувствительность, состояние сон-бодрствование, половое поведение, процессы запоминания и др., а также ряд вегетативных реакций организма - регуляция температуры, дыхания, артериального давления, мышечного тонуса и т. д. Биологические эффекты этих гормонов реализуются через взаимодействие со специфическими рецепторами.

Большинство нейропептидов образуются в нервных клетках путем специфического расщепления крупных белковых молекул-предшественников. Некоторые нейропептиды способны при дальнейшем расщеплении также давать активные пептиды.

✵ Энкефалины и эндорфины - представители т. н. опиоидных пептидов. Они вырабатываются в головном мозге и действуют на морфиновые (опиоидные) рецепторы центральной нервной системы.

Эндорфины (эндогенные морфины) - группа пептидов, которые образуются в головном мозге из вырабатываемого гипофизом вещества - β- липотрофина, вызывают ощущение удовольствия, эйфории.

Концевые пентапептидные последовательности эндорфинов совпадают по структуре с Меt-энкефалином (Tyr-Gly-Gly-Phe-Met) и Leu-энкефалином (Туr- Gly-Gly-Phe-Leu), которые обладают аналогичным действием. Не смотря на существенное химическое различие между энкефалинами и морфином пространственное строение их имеет схожие фрагменты, что и определяет взаимодействие с одним типом рецепторов.

Известно три типа эндорфиновых (опиоидных) рецепторов, обозначаемые как μ (мю), δ (дельта) и κ (каппа). Все они относятся к метаботропным рецепторам, связанным с G₁ и G₀-белками. Если обезболивающие действие (анальгезия) реализуется при активации всех типов рецеторов, то, например, эйфория, связана с воздействием в первую очередь на μ₂- рецепторы.

Эндорфины преимущественно активируют μ-рецепторы, а энкефалины δ- рецепторы.

Еще одной группой опиоидных пептидов являются эндоморфины. Тетрапептиды эндоморфин-1 (Tyr-Pro-Trp-Phe-NH₂) и эндоморфин-2 (Tyr-Pro- Phe-Phe-NH₂) имеют высокое сродство к μ-рецепторам.

В 1979 г. из гипоталамуса крыс был выделен один из самых коротких биоактивных пептидов - киоторфин (Tyr-Arg). Однако он не непосредственно воздействует на морфиновые рецепторы, а способствует высвобождению энкефалинов.

✵ Окситоцин и вазопрессин. Первые биологически активные пептиды, выделенные из нервной ткани (1924 г.) и полученные полностью синтетическим путем (1953 г.). Установление строения и синтез этих соединений были выполнены под руководством американского биохимика В. Дю Виньо, удостоенного за эти работы в 1955 г. Нобелевской премии по химии.

Вырабатываются эти гормоны гипоталамусом, но накапливаются в гипофизе. Оба нонапептида имеют схожее циклолинейное строение. Замыкание цикла происходит за счет образования дисульфидного мостика остатками Cys-1 и Cys-6.

Они обладают широким диапазоном биологического действия. Окситоцин, действуя на специфический рецептор О₁, вызывает сокращение гладких мышц матки, что позволило его использовать для стимуляции родов, и усиливает лактацию. Вазопрессин повышает кровяное давление, стимулирует долговременную память (рецепторы V_1A, V_1B), оказывает влияние на минеральный и водный обмен (рецептор V₂).

✵ «Рилизинг-факторы» - гормоноподобные соединения, вырабатываемые гипоталамусом и некоторыми другими отделами мозга и регулирующие секрецию гормонов гипофиза. Секреция этих соединений контролируется адренергическими, холинергическими и дофаминергическими синапсами нервной системы.

Пионерские работы в этой области были выполнены американским нейробиологом французского происхождения Р. Гийменом и польскоамериканским эндокринологом Э. Шалли, за что они в 1977 г. были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Различают либерины - стимуляторы продукции, и статины, вещества, ингибирующие секрецию гормонов. К настоящему времени известно более 10 рилизинг-факторов. Большинство рилизинг-факторов представляют собой относительно небольшие пептиды: тиролиберин является трипептидом, соматостатин - тетрадекапептидом, гонадолиберин (люлиберин) - декапептидом.

Рилизинг-факторы содержатся и действуют в очень малых количествах (до 10^-9 моль/л). Например, 1 мг тиролиберина впервые был выделен из гипоталамусов 300 тыс. овец.

Тиролиберин (pyro-Glu-His-Pro-NH₂) содержит на N-конце пироглутаминовую кислоту, которая представляет собой продукт конденсации α- аминогруппы с карбоксильной функцией боковой цепи. Он активирует в гипофизе синтез пептидного гормона тиротропина, который в свою очередь стимулирует щитовидную железу, продуцирующую йодсодержащий гормон тироксин (см. ниже). Последний влияет на обмен веществ, стимулируют рост тканей, влияет на состояние печени, почек и других органов.

Не для всех рилизинг-факторов характерна строгая специфичность действия. Например, тиролиберин - стимулятор секреции не только тиротропина, но и пролактина, а соматостатин ингибирует секрецию гипофизом соматотропина и пролактина, а также секрецию поджелудочной железой инсулина и глюкагона.

Стероидные гормоны

В основе их структуры лежит скелет циклопентано- пергидрофенантрена (эстрана или гонана) - система из трех нелинейно конденсированных колец циклогексана (А, В и С) и циклопентанового цикла (D).

Стероидные гормоны подразделяют на две большие группы: половые гормоны, вырабатываемые половыми железами и регулирующие половые функции организма, и кортикостероиды - гормоны коркового вещества надпочечников.

В отличие от пептидных гормонов стероидные гормоны, также, как и рассмотренные ниже тиреоидные гормоны, действуют на внутриклеточные рецепторы, осуществляющие контроль транскрипции ДНК.

Значимую роль в химии стероидных гормонов сыграл немецкий химик А. Бутенандт. Его исследования в этой области, в т. ч. выделение андростерона и прогестерона, синтез тестостерона, были оценены Нобелевской премией по химии (1939 г.).

❖ Женские половые гормоны. Выделяют два типа гормонов: гестагены, или гормоны беременности, вырабатываемые желтым телом яичников и контролирующие цикл беременности, и эстрогены, секретируемые яичниками и необходимые для развития женского организма. Эти гормоны широко используются в медицинской практике.

Типичным представителем первой группы является прогестерон, содержащий в кольце D кетогруппу, а второй - эстрон и эстрадиол, в структуре которых присутствует ароматический цикл А. Эстрогены также были найдены в растениях (кокосовая пальма, ива).

❖ Мужские половые гормоны (андрогены) стимулируют развитие вторичных половых признаков и общее созревание мужского организма. Они не только влияют на эндокринную систему, но и являются анаболическими гормонами - веществами, усиливающими рост мышечной и костной ткани. Наиболее известный гормон этой группы - тестостерон. Небольшое количество этого гормона вырабатывается и в организме женщин. Активной формой тестостерона является его метаболит дигидротестостерон.

❖ Кортикостероиды - широкая группа стероидных соединений (более 40 веществ), выделенных из коркового вещества надпочечников. Для них характерно наличие в кольце D гидроксикетонной группы. Подразделяются на две группы: глюкокортикоиды - регулируют углеводный и белковый обмен, и минералокортикоиды, контролирующие водный и ионный обмен.

✵ Глюкокортикоиды оказывают противовоспалительное, иммуносупрессорное, антиаллергическое действие. Они широко используются для лечения ревматизма, артритов, бронхиальной астмы, экзем.

Противовоспалительная активность стероидов во многом связана с подавлением продукции фосфолипазы А2, а, следовательно, ингибирование образования арахидоновой кислоты как биопредшественника провоспалительных факторов - простагландинов и лейкотриенов.

Наряду с природными (эндогенными) соединениями, такими как кортизон и кортизол (гидрокортизон), в медицинской практике широко используют более активные синтетические препараты, например, преднизолон и высокоэффективный фторсодержащий продукт - фторокорт.

✵ Минералокортикоиды. Типичным представителем этой группы стероидов является альдостерон. Такие гормоны вызывают задержку в организме ионов натрия и ускоряют выделения ионов калия, тем самым регулируют водно-солевой баланс в организме. В качестве лекарственного препарата широко применяется дезоксикортикостерон, способствующий увеличению гидрофильности тканей, повышению артериального давления и улучшению работоспособности мышц.

❖ Гормоны щитовидной железы (тиреоидные гормоны).

Щитовидная железа выделяет L-тироксин (Т4) и L-трийодтиронин (Т₃) - гормоны, регулирующих многие функции организма, в том числе, углеводный и белковый обмен, рост и дифференцировку тканей, интенсивность окислительных реакций в клетках и выделение тепла, процессы роста и развития.

Биосинтез тиреоидных гомонов начинается с того, что иодид-анионы под действием фермента пероксидазы превращаются в молекулярный йод, который атакует остатки аминокислоты тирозина в белке тироглобулине. Далее под действием ферментов происходит межмолекулярная реакция между двумя остатками дииодтирозина и выделение гормона тироксина.

Трийодтиронин образуется в периферических тканях из тироксина с помощью металлофермента монодейодиназы. Более двух третей общего количества тиреоидных гормонов, производимых щитовидной железой, поступает в кровь в форме тироксина, а остальное - в форме трийодтиронина. Трийод- тиронин в 3-5 раз эффективнее тироксина и действует быстрее последнего.