§ 31. Гормоны

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

Номенклатура гормонов

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

• стероидные (стероиды);
• гормоны — производные аминокислот;
• пептидные;
• белковые.

Классификация гормонов отражена в таблице 15.

Строение гормонов

Познакомившись с функцией гормонов в организме, остановимся подробнее на их химическом строении. Рассматривая формулы гормонов, не старайтесь их запомнить, а просто получите общее представление о химической природе этой группы биологически активных веществ.

Стероидные гормоны (стероиды). Гормоны этой группы формально можно рассматривать как производные гипотетического углеводорода стерана:

Стероиды можно разделить на две группы: стероидные половые гормоны и гормоны коры надпочечников. Группа половых гормонов включает эстрогены, андрогены и прогестерон.

Эстрогены — женские половые гормоны содержат в молекуле 18 атомов углерода (так называемые С₁₈-соединения). К ним относится, например, эстрадиол C₁₈H₂₄O₂:

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

Наличие карбонильной группы отражается в названии эстрона суффиксом -он. Название эстриола явно подчёркивает присутствие трёх гидроксильных групп в его молекуле.

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

Наиболее важными андрогенами являются тестостерон, дигидротестостерон и андростандиол.

Химическое название тестостерона — 17-гидрокси-4-андростен-3-он, дигидротестостерона — 17-гидроксиандростан-3-он.

Очевидно, что тестостерон — ненасыщенный кетоспирт, дигидротестостерон и андростандиол можно рассматривать как продукты его гидрирования, а принадлежность андростандиола к многоатомным спиртам и его насыщенный характер отражаются в названии.

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

Из анализа строения молекулы прогестерона понятно, что он является кетоном и содержит в молекуле две карбонильные группы.

Помимо половых гормонов, к стероидам относятся и гормоны коры надпочечников, такие, например, как кортизол, кортикостерон и альдостерон.

Сравнив структурные формулы всех этих гормонов, нетрудно заметить, что они имеют много общего, в первую очередь «стероидное ядро» молекулы — четыре сочленённых карбоцикла: три шестиатомных и один пятиатомный.

Производные аминокислот. Теперь, имея представление о стероидах, познакомимся с гормонами — производными аминокислот. К ним относятся, например, тироксин, адреналин и норадреналин.

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

Пептидные гормоны. Более сложное строение имеют пептидные гормоны, например вазопрессин (условные обозначения аминокислот приведены в табл. 8).

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

Очевидно, что молекула глюкагона содержит 28 пептидных групп

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

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

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

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

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

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

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

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

Недостаток углеводов в клетках вызывает острый клеточный голод, сопровождается избыточным количеством глюкозы в крови (гипергликемия) и её выделением с мочой. Клетки гибнут от энергетического голода, а ценнейший источник энергии — глюкоза безвозвратно теряется организмом.

Сахарный диабет может приводить к нарушению зрения (в результате поражения сосудов сетчатки) и функции почек, развитию атеросклероза — поражению артерий и нарушению кровообращения. Увеличивая поступление глюкозы в клетки жировой ткани, инсулин способствует образованию жира в организме.

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

Другим гормоном поджелудочной железы является глюкагон, который стимулирует расщепление (гидролиз) гликогена в клетках до глюкозы и таким образом повышает её содержание в крови. Кроме того, он стимулирует и расщепление жиров в клетках жировой ткани. Очевидно, что по своему действию глюкагон — антагонист инсулина (вещество с противоположным действием).

Гормоны щитовидной железы. Щитовидная железа вырабатывает такие важные гормоны, как трииодтиронин, тетраиодтиронин (тироксин) и тиреокальцитонин. Первые два гормона регулируют энергетический обмен в организме. Так, при введении в кровь всего лишь 1 мг тироксина суточный расход энергии человеком увеличивается более чем на 1000 ккал. Трииодтиронин физиологически ещё более активен, поэтому его среднее содержание в крови в 20—25 раз меньше, он значительно быстрее разрушается в тканях. Стимулируя резкое увеличение производства энергии, эти гормоны ускоряют расходование клетками всех питательных веществ — жиров, углеводов, белков, увеличивают потребление тканями глюкозы, что, в свою очередь, компенсируется ростом скорости гидролиза гликогена в печени. Трииодтиронин и тироксин регулируют не только энергетические процессы в организме, но и пластические, т. е. ускоряют рост организма. Кроме того, эти гормоны стимулируют и центральную нервную систему, ускоряют и делают более выраженными рефлексы, в том числе сухожильный. Гиперфункция щитовидной железы и связанное с ней избыточное производство гормонов приводит к непроизвольному дрожанию (тремору) конечностей, а недостаток в пище иода, необходимого для синтеза трииодтиронина и тироксина, вызывает разрастание ткани щитовидной железы и образование зоба.

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

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

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

Из минералокортикоидов наиболее активен альдостерон. Этот гормон регулирует количество и баланс ионов Na⁺ и К⁺ в крови. Недостаток альдостерона снижает концентрацию хлорида натрия в крови и тканевых жидкостях, приводя к резкому снижению кровяного давления, обезвоживанию и гибели организма. Поэтому минералокортикоиды часто называют гормонами жизни. Очевидно, их избыток вызывает задержку жидкости в организме и устойчивое повышение артериального давления — гипертонию.

Наиболее активный из глюкокортикоидов — гидрокортизон стимулирует синтез глюкозы в печени, повышая её уровень в крови. Содержание гликогена в печени при этом не снижается, а может даже расти. Этим действие гидрокортизона принципиально отличается от действия адреналина. Кроме того, глюкокортикоиды ускоряют извлечение жиров из жировой клетчатки и их окисление («сгорание») с выделением необходимой организму энергии. Недостаток этих гормонов истощает силы организма, его сопротивляемость неблагоприятным внешним воздействиям и болезням.

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

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

При сравнении строения молекул тестостерона и эстрадиола

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

Гормоны гипофиза. Гипофиз (нижний мозговой придаток) является эндокринной железой, функции которой регулируются нейрогормонами гипоталамуса. Выработка и секреция гормонов железами внутренней секреции (щитовидной, надпочечниками, половыми железами) координируется единым регуляторным центром — гипофизом. В гипофизе большинства позвоночных и человека вырабатывается семь гормонов пептидной природы, четыре из которых действуют на периферические эндокринные железы и называются тропными, а три влияют непосредственно на органы и ткани-мишени. К последним как раз и относится рассмотренный ранее соматотропин.

1. Предварительно проконсультировавшись у своего учителя биологии и школьного врача, подготовьте небольшое сообщение об основных средствах и методах профилактики сахарного диабета. Перескажите основные идеи своего сообщения родным и близким.

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

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

4. Назовите железы внутренней секреции и вырабатывае- мые ими гормоны.

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

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

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

8. Анаболики — синтетические лекарственные препараты, которые стимулируют синтез белка и кальцификацию костной ткани. Их действие проявляется в увеличении массы скелета и скелетной мускулатуры. Сравните состав и строение метандростенолона — дианабола (формула I), феноболина — дураболина (II, R—C(O)CH₂CH₂Ph), ретаболила (II, R—СО(СН₂)₈(СН₃)) и трианабола (III).

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

9. Адреналин образует ярко окрашенное (зелёное) соединение с раствором хлорида железа (III) FeCl₃. Какими особенностями строения молекулы адреналина это можно объяснить?

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