velikol.ru
1

БИОХИМИЯ ГОРМОНАЛЬНОЙ РЕГУЛЯЦИИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

Академик АМН СССР Н. А. ЮДАЕВ

З

а последние 50 лет структура заболеваний человека претерпела от­четливые изменения: место инфекционных заболеваний заняли не­инфекционные, такие, как сердечно-сосудистые, онкологические, ге­нетические, эндокринные, причем отмечается тенденция к их дальней­шему распространению и '(омоложению». С позиций биохимии все1 они имеют общие черты, возникая как следствие нарушений регуляции тех или иных сторон обмена веществ на различных уровнях. Понятно, что борьба с такими заболеваниями предполагает изучение соответствую­щих механизмов этой регуляции. Принцип управления обменом веществ давно и успешно используется для лечения большинства эндокринных заболеваний; нормализация нарушенного обмена достигается в данном случае путем введения больным недостающего гормона или торможения его избыточного образования. Для борьбы с атеросклерозом и канцероге­незом этот метод используется мало, что объясняется, очевидно, слабым знанием биохимических основ развития данных заболеваний. В настоящей статье будет рассмотрен ряд аспектов биохимии гормонов и гормональной регуляции обмена веществ, включая действие гормонов на молекулярном уровне.

Железы внутренней секреции, образующие гормоны, построены очень сложно; их расположение в организме показано на рис. 1. Они включают различные клетки, вырабатывают непохожие друг на друга по химиче­скому строению активные вещества — гормоны — и в качестве «сигналь­ных постов», так или иначе воспринимающих изменения наружной и внутренней среды организма, посылают в разные органы химические сигналы, характер и количество которых определяются состоянием орга­низма и его отдельных систем. Таких сигналов известно к настоящему времени около 50. Если почему-либо их поступление прекращается, не­медленно нарушаются функции организма. Так, процессы, лежащие в основе развития организма еще до оплодотворения яйцеклетки, в част­ности процессы созревания зародышевой клетки и ее освобождения из яичника, регулируются, по крайней мере, тремя гормонами, в том числе

29^

Научные обзоры и сообщения

фолликулостимулргрующим и лютеинизирующим (т. е. влияющим на созревание желтого тела в яичнике) гормонами гипофиза. При недоста­точном выделении хотя бы одного из них яйцеклетка либо не развивается либо оказывается неполноценной. Нормальное течение беременности так­же возможно лишь при определенном соотношении в организме ряда гормонов; в случае нарушения этого соотношения происходит выкидыш. Рост и развитие ребенка в свою очередь контролируются несколькими гормонами: гормоном роста, гормонами щитовидной железы и половыми, опять-таки находящимися в строго определенном соотношении друг с дру-



том на каждой стадии развития организма. В случае отклонений возни­кают явления карликовости либо еще более сложные нарушения, напри­мер развитие женского организма по пути мужского, и наоборот.

Таким образом, действие гормонов сопровождает все стадии развития организма от момента его зарождения до глубокой старости. Примером адекватных гормональных изменений на протяжении жизни индивидуума может служить кривая экскреции 17-кетостероидов в зависимости от воз­раста (рис. 2).

Необходимо подчеркнуть, что железы жестко увязаны в определенную систему с многочисленными механизмами прямой и обратной связей (рис. 3). Первые биологические гормональные вещества (дистанционного действия) образуются в нервной системе на участке гипоталамуса. Это рилизинг-факторы. Известно около 10 таких соединений. По специальной системе сосудов они поступают в придаток мозга — гипофиз, а отсюда каждый из них направляется к особым, «своим» клеткам. Рилизинг-фак­торы стимулируют биосинтез и выделение гипофизарных гормонов, таких, как адренокортикотропный гормон (АКТГ), тиреотропный и др. АКТГ, стимулирующий кору надпочечников, из гипофиза поступает в общий круг кровообращения и таким путем достигает своего оргапа-миглени — коры надпочечников, которая отвечает дополнительным выделением в кровь стероидных гормонов, или кортикостероидов. Последние влияют на обмен веществ практически всех органов. В аналогичной последователь­ности действуют и другие рилизинг-факторы, составляя так называемый механизм прямой связи.

30

Научные обзоры и сообщения-

В эндокринной системе, как уже говорилось, представлен и механизм обратной связи. Так, избыточное образование корой надпочечпиков сте­роидов почти немедленно приводит к торможению образования в гипота­ламусе рилизинг-фактора, а следовательно, к торможению секреции АКТТ и далее биосинтеза стероидов. Уменьшение концентрации стероидов в крови вызывает обратную цепь реакций. Выпадение любого звена прямой или обратной связи сопровождается нарушением обмена веществ и раз­витием патологических явлений. Примером могут служить тиреотоксикоз, сахарный диабет и другие эндокринные заболевания.



Выяснение особенностей гормональной регуляции обмена веществ предполагает детальную расшифровку двух основных механизмов — обра­зования гормонов и действия их на обмен веществ. Сложность первой задачи можно показать на примере биосинтеза стероидных гормонов в коре надпочечников. Схема образования этих гормонов из холестерина была предложена сравнительно давно. Однако она давала лишь прибли­зительное представление о механизме их биосинтеза и не удовлетворяла исследователей, поэтому в разных странах развернулись активные работы по его изучению. В Советском Союзе такие работы велись под руковод­ством члена-корреспондента АН СССР Г. К. Скрябина и особенно в лабо­ратории биохимии стероидных гормонов Института экспериментальной эндокринологии и химии гормонов Академии медицинских наук СССР под руководством автора настоящей статьи. В результате многочисленных исследований были получены новые данные о процессе образования ос­новных гормонов коры надпочечников (рис. 4).

Следует отметить, что изучение биосинтеза кортикостероидов имеет не только теоретическое значение. Известно, что недостаточное образо­вание этих гормонов приводит к болезни Аддисона (бронзовая окраска тела, мышечная слабость, гипотония, низкое содержание сахара в крови), а избыточное их образование - к еще более тяжелой болезни Иценко -Кушинга (необычное распределение жировой ткани, гипертония, возник-







Научные обзоры и сообщения

новение стероидного диабета и связанного с ним остеопороза). Нарушение отдельных стадий гидроксилирования вызывает изменение соотношения образующихся стероидов и развитие так называемого адреногенитального» синдрома, при котором у девочек появляются симптомы ложного гер­мафродитизма, а у мальчиков — признаки раннего полового созревания. На рис. 5 представлена фотография девочки, которая находилась в кли­нике Института экспериментальной эндокринологии и химии гормонов по поводу этого заболевания: при обычном женском генотипе (X X) в данном случае имеет место явно мужской фенотип. Такое трагическое



Рис. 5. Больная с адреногенитальным синдромом

несоответствие генотипа и фенотипа, как оказалось, вызывается наруше­нием лишь одного звена биогенеза стероидов, а именно гидроксилирова­ния в 21-м положении молекулы стероида (рис. 6). Это нарушение исклю­чает возможность образования кортикостероидов, что в соответствии с механизмом обратной связи приводит к избыточному выделению АКТГ и усилению превращения холестерина в полупродукты кортикостероидов, которые, накапливаясь в избыточном количестве, превращаются в муж­ские половые гормоны, активирующие в женском организме гены, обычно активные только у мужчин. Лечение этих больных заключается в регу­ляции обмена веществ. Им вводят недостающие кортикостероиды, кото­рые подавляют выделение АКТГ, что уменьшает образование половых гормонов и вызывает обратное развитие, а затем и восстановление соответ­ствия между генотипом и фенотипом.

Жизненная необходимость кортикостероидов установлена сравнитель­но давно в опытах на животных, лишенных надпочечников (адреналэкто-мированных): такие животные быстро погибают от сердечно-сосудистой недостаточности. Но эти наблюдения дают весьма незначительную инфор­мацию о механизме действия данных гормонов. Более информативны эксперименты с введением избыточного их количества, вызывающие прежде всего накопление солей натрия, задержку воды в организме, развитие гипертонии, которая может оказаться стойкой. Потеря кальция и фосфора изменяет обмен веществ в костях и влечет за собой остеопороз, который часто становится причиной переломов костей; нарушение угле­водного обмена обуславливает возникновение так называемого стероидного диабета и т. д. Все эти изменения в четкой форме выражены и у людей, страдающих болезнью Иценко — Кушинга.

В лаборатории биохимии стероидных гормонов Института экспери­ментальной эндокринологии и химии гормонов было показано, что введе­ние кортикостероидов, вызывая распад белков лпмфоидной ткани, вместе-

34

Научные обзоры и сообщения

с тем стимулирует биосинтез белков в печени. Априори можно было пред­положить, что кортикостероиды изменяют ферментативные реакции. Наибо­лее полно изучено влияние кортикостероидов на ферменты, катализирую­щие обмен аминокислот,— триптофаноксигеназу и тирозинаминотрансфе-разу. Через 5 час. после введения кортикостероидов животным активность этих ферментов в печени возрастает в 2—3 раза, а через 20 час. возвра­щается к исходному уровню. В присутствии ингибитора синтеза белка пуромицина активации ферментов не происходит, что свидетельствует об участии в ней процессов биосинтеза белка. Активации не происходит и



при добавлении актиномицина D, а это указывает на необходимость обра­зования иРНК для проявления гормонального эффекта. Механизм дейст­вия стероидных гормонов на биосинтез белка в клетке лучше изучен на примере эстрадиола, прогестерона и тестостерона. Введение самкам крыс тестостерона наряду с другими изменениями в их организме вызывает увеличение веса матки. Это наблюдение было в достаточной степени неожиданным, поскольку ранее было известно, что таким действием обла­дает женский половой гормон эстрадиол, для которого матка служит орга­ном-мишенью. Автору настоящей статьи в сотрудничестве с Б. В. Покров­ским при помощи седиментационного анализа с двойной изотопной меткой п метода гибридизации РНК с ДИК удалось показать, что эстрадиол и тестостерон стимулируют биосинтез различных по составу РНК в матке.

Вся сумма характеристик синтезирующихся РНК дает основание считать, что тестостерон обладает независимым, самостоятельным дейст­вием на матку. Поскольку же стероидные гормоны, как теперь известпо, действуют, соединяясь со специальным белковым рецептором, можно было допустить, что в матке имеются рецепторы к тестостерону. В матке крыс и человека такие рецепторы были действительно обнаружены (Н. А. Юдаев, М. К. Асрнбекова, А. В. Мальцев). В исследованиях, про­веденных Р. Шимке и Б. О'Мале (США) на яйцеводе цыплят, показано, что эстрогены стимулируют как образование железистых клеток, синтези­рующих яичный альбумин, так и сам синтез альбумина, предварительно вызывая индукцию синтеза специфической РНК, который in vitro зависит от количества РНК, индуцированной эстрогеном.

Г. Талвар (Индия) и др. вводили эстрадиол петушкам. В этом случае у петушков синтезировался белок фосвитин, который входит в состав желтка и обычно синтезируется в печени кур. Таким образом, введение

2* 35

Научные обзоры и сообщения

эстрогена самцам может вызвать активацию генов, которые обычно функ­ционируют лишь у самок, и синтез белка, не свойственного данному орга­низму.

На рис. 7 в схематическом виде изображен механизм действия гормо­нов на гены по современным представлениям: гормоны в клетке связы­ваются со специальным белком-рецептором, этот комплекс проникает в ядро и взаимодействует с ДНК, в результате чего стимулируется синтез специфической РНК, который обеспечивает синтез специфического для данного гормона белка или белка-фермента.

Действие эстрогенов и андрогенов принципиально различно: влияние избытка эстрогенов на матку или на синтез яичного альбумина в яйце-



воде — это усиленное влияние данных гормонов в естественных условиях у зрелой курицы, т. е. здесь, по-видимому, вовлекается в «работу», начи­нает действовать дополнительное число тех же генов, которые функцио­нируют и в норме; когда же эстрогены стимулируют синтез белка фосви-тина в печени петушков или тестостерон стимулирует появление мужских признаков у девочек, происходит, очевидно, активация генов, неактивных в норме у данного организма.

Известно, что биохимические процессы в организме протекают с не­пременным участием биологических катализаторов — ферментов, синтез которых определяется соответствующими генами. Поскольку переход ге­нов из неактивного состояния в активное осуществляется под влиянием гормонов, распространенную формулу «ген — фермент» следует, очевидно, дополнить: «гормон — ген — фермент». Для определения фенотипа имен­но первое звено этой формулы имеет наибольшее значение. Количество гормона изменяется в организме в зависимости от изменяющихся условий жизни и среды обитания и в свою очередь изменяет количество активных генов и ферментов.

36

Научные обзоры и сообщения

Сказанное относится главным образом к стероидным гормонам. Меха­низм действия белковых гормонов имеет свои характерные особенности. Его целесообразно рассмотреть на примере АКТГ — гормона, стимулирую­щего, как уже говорилось, деятельность коры надпочечников. В резуль­тате многочисленных исследований, в том числе и нашей лаборатории, были выяснены многие стороны механизма действия АКТГ на кору над­почечников, что позволило получить о нем довольно цельное представле­ние (рис. 8). Начальный этап, согласно этому представлению,— активация особого фермента аденилциклазы, закрепленного на клеточной мембране,



в результате чего образуется циклический аденозинмонофосфат (АМФ), который в клетке реагирует с комплексным ферментом протеинкиназой и вызывает его диссоциацию с освобождением активной формы. Активпая протеинкиназа, обеспечивая фосфорилированпе рибосом, обуславливает синтез специфического белка, обладающего, по-видимому, транспортной функцией. Этот белок в свою очередь обеспечивает перенос свободного холестерина из жировых капелек в митохондрии, т. е. в те субклеточные элементы, где происходит превращение холестерина в кортикостероиды. Установлено также, что комплекс циклический АМФ — белок проникает в ядро, где он может активировать синтез специфических видов иРНК.

Характерно, что подавляющее большинство веществ, обладающих ре-гуляторной функцией, начинает свое действие в клетке с активации мембранного фермента аденилциклазы и образования циклического АМФ. Теперь даже принято называть гормоны первым, а циклический АМФ вторым посредником регуляторных влияний. Однако, общность механиз­ма их действия не снимает специфичности гормонального эффекта, свя­занной со специфичностью структуры рецепторов тех органов, на. кото­рые направлено действие данного гормона.

37

Научные обзоры и сообщения

Значительные успехи достигнуты и в изучении другого белкового гормона гипофиза — гормона роста. Сравнительно давно известно, что трагические случаи появления в семье карликов, или акромегаликов, вы­зываются нарушением секреции этого гормона. Многочисленность таких случаев заставила обратить особое внимание физиологов, биохимиков и химиков на гормон роста.

Первые активные препараты ростового гормона из гипофиза были получены еще в 50-х годах нашего столетия. Однако надежды на быстрое решение проблемы карликовости не оправдались. Выяснилось, что росто­вой гормон, полученный из гипофизов животных, прекрасно стимулирует рост животных, но не влияет на рост детей. В результате изучения росто­вых гормонов возникло представление об их видовой специфичности. Проблема регулирования роста усложнялась, и в дальнейшем она разра­батывалась в нескольких направлениях. Прежде всего был получен росто­вой гормон из гипофиза человека. В большинстве случаев он действитель­но несколько стимулировал рост детей. Институт экспериментальной эндокринологии и химии гормонов организовал производство этого гор­мона на одном из заводов. Однако такой путь вряд ли может привести к решению проблемы, так как невозможно приготовить нужное количе­ство этого гормона из гипофиза людей. Интенсивно изучалась химическая структура ростового гормона, с тем чтобы получить его путем химического синтеза. Было установлено, что гормон роста состоит из 191 аминокис­лотного остатка, и в 1972 г. его химический синтез был осуществлен. Однако и этот крупнейший успех химии и биохимии не означает реше­ния проблемы и представляет пока только теоретический интерес. Ведутся исследования с целью получения неболылих фрагментов ростового гор­мона, обладающих биологической активностью. В Институте эксперимен­тальной эндокринологии и химии гормонов удалось получить активный фрагмент, стимулирующий распад жира; американский исследователь М. Зонненберг сообщил о получении фрагмента, обладающего ростовой активностью. В последние годы в отечественных и зарубежных лаборато­риях были выявлены весьма интересные факты, касающиеся других ги-пофизарных гормонов. Все эти исследования свидетельствуют о значи­тельных успехах в изучении белковых гормонов и позволяют надеяться, что с их помощью будут решены многие актуальные проблемы современ­ной эндокринологии.

Специального внимания заслуживает тот раздел эндокринологии и гормональной регуляции, который связан с такой важной проблемой, как лечение сахарного диабета — самого массового эндокринного заболевания. Открытие гормона инсулина, вопреки надеждам, позволило лишь частич­но решить проблему борьбы с этим тяжелым заболеванием. Выяснился ряд новых, ранее неизвестных механизмов развития сахарного диабета, а в процессе широкого использования инсулина было установлено, в част­ности, что в организме он вступает в комплекс с белками и при этом теряет активность. Возникло предположение, что повышение степени свя­зывания инсулина с белками или нарушение процесса распада его ком­плекса с ними может стать одной из причин заболевания. В 1966 г. было показано, что образование инсулина в организме проходит через стадию проинсулина, не обладающего активностью. Нарушение процесса превра­щения проинсулина в инсулин также могло бы играть роль в возникно­вении заболевания.

Наиболее важен, однако, тот, давно известный клиницистам факт, что длительное введение инсулина часто вызывает у больных резистент-

38

Научные обзоры и сообщения

ность к нему: инсулин перестает действовать. После того, как была уста­новлена его структура и показано различие инсулинов человека и животных, этот факт начали объяснять тем, что чужеродный инсулин вызывает образование антител, которые становятся причиной резистент­ности. Возникла необходимость химического синтеза инсулина, идентич­ного по строению инсулину человека. Такие работы проводятся в США, ФРГ, Японии. У нас в 1972 г. в лаборатории химии белковых гормонов Института экспериментальной эндокринологии и химии гормонов в ре­зультате полного химического синтеза был получен активный инсулин. Однако пройдет, по-видимому, еще много времени, прежде чем лабора-



торный синтез станет технологическим. Можно полагать, что более быстрый успех ожидает исследователей на пути переделки инсулина. Для этого достаточно в одной из цепей молекулы инсулина свиньи замепить аминокислоту аланин треонином. В Институте такие исследования прово­дятся, и уже удалось получить дезпентапептид свиного инсулина, кото­рый обладает активностью целой молекулы (рис. 9).

В заключение необходимо отметить, что проблема гормональной регу­ляции не может разрабатываться в отрыве от других разделов молеку­лярной биологии. Действие многих гормонов начинается с того, что они как бы притягиваются к определенным точкам мембраны клетки. В связи с этим исследования химического строения мембран, ведущиеся под руко­водством академика Ю. А. Овчинникова, и исследования протеинкиназ-ных реакций, проводимые академиком С. Е. Севериным, очень важны для изучения гормональной регуляции. Выше отмечалось также, что эффекты стероидных гормонов включают их взаимодействие с хроматином ядра, синтез специфической РНК и синтез белка-фермента. Поэтому для пони­мания молекулярных механизмов действия гормонов большое значение имеют работы академиков А. А. Баева и А. С. Спирина по выяснению строения РНК и синтезу белка. Вместе с тем имеется и обратная зависи­мость: вряд ли можно понять процесс регуляции биосинтеза белка без изучения роли гормонов в этом процессе. Не случайно на международных еимпозиумах, где рассматриваются вопросы биосинтеза белка, обсужда­ются и исследования, посвященные роли гормонов, а на симпозиумах по механизму действия гормонов обязательны доклады о биосинтезе белка.

39

Научные обзоры и сообщения

Вся сумма биологических сведений, накопленных к настоящему вре­мени, дает основание считать, что регуляция организма осуществляется по принципу саморегулирования системы высшего порядка. Природа не оставила чертежей, по которым она создавала систему управления в орга­низме. Выяснение детален этой системы требует гораздо больших усилий, чем выяснение даже наиболее тонких сторон регулируемых процессов. Так, хорошо установлена вся последовательность цепи реакций, в резуль­тате которых образуется мочевина, и в несоизмеримо меньшей степени выяснен механизм действия фолликулостимулирующего и лютеинизирую-щего гормонов, под влиянием которых формируется зародышевая клетка.

Мы еще слишком мало уделяем внимания жизненно важному для нас изучению процессов управления обменом веществ и функций организма, в частности управления с помощью гормонов. Можно назвать несколько направлений, которые, на наш взгляд, должны стать «точками роста» в изучении регуляции обмена веществ организма животных и человека.

Очень важно п перспективно изучение образования и действия гипо-таламических рилизинг-факторов — передатчиков, обеспечивающих замы­кание прямой и обратной связей в коллекторе-реле — гипоталамусе. Из­вестно, к тому же, что многие эндокринные заболевания возникают в результате нарушений образования, выделения и действия рилизинг-фак­торов.

В общемедицннском плане огромное значение имеет изучение образо­вания и механизма действия инсулина. Актуальность исследований в данном направлении обусловлена прежде всего тем, что число больных сахарным диабетом, которому сопутствуют тяжелые осложнения (глав­ным образом со стороны сердечно-сосудистой системы), неуклонно воз­растает, и к настоящему времени насчитываются миллионы людей, стра­дающих этой болезнью.

В общебиологическом аспекте самым важным и интересным для изу­чения представляется образование комплекса гормон — рецептор, которое происходит либо на мембране, либо в цитоплазме, а также взаимодействие этих комплексов с ядром, в частности с геномом, приводящее к актива­ции или подавлению активности генов. Эти исследования, естественно, не решают проблемы переделки наследственности, но они открывают широ­кую перспективу для управления наследственными признаками и для предотвращения многих заболеваний, в том числе возникающих в резуль­тате нарушения деятельности эндокринной системы.

УДК 577.169

40