Введение в эндокринологию спорта

Введение и основные принципы

Основным предназначением физиологических процессов является постоянное стремление к поддержанию гомеостаза организма. Это стремление к поддержанию постоянства внутренней среды подвергается постоянным возмущающим воздействиям со стороны внутренней и внешней среды. Способность поддерживать гомеостаз в условиях изменяющейся среды определяется эффективностью обмена информацией между клетками организма. Основу такого обмена информацией составляют две системы. Нервная система обычно обеспечивает быстрый и короткий ответ на воздействие. В отличие от нее эндокринная система реагирует на изменения в среде гораздо медленнее, однако ее ответ является более продолжительным во времени по сравнению с реакцией нервной системы. Влияние эндокринной системы является всеобъемлющим и регулирует активность практически всех клеток организма. Все наши клетки снабжаются кровью и эндокринная система использует эту особенность физиологической организации для распространения информации по всему телу.

Слово “гормон” происходит от греческого hormaein, что означает стимулировать, побуждать к действию. В 1902 г. Бейлисс и Старлинг описали вещество, которое выделял в кровь один из органов тела (небольшая железа), вызывая тем самым ответную реакцию в другом органе (поджелудочной железе). Это был секретин - первый из обнаруженных и описанных гормонов. Сегодня гормон определяют как “химическое вещество, которое в небольших количествах выделяется в кровь и после переноса кровью вызывает типичный физиологический ответ в других клетках” (Гудмен, 1994). Однако было обнаружено, что наряду с этим примером классического эндокринного воздействия, вещество-медиатор может выделяться во внутритканевую жидкость, распространяться путем диффузии и влиять на соседние клетки (паракринное воздействие) или даже взаимодействовать с той самой клеткой, которая их продуцировала (аутокринное воздействие). Действительно, некоторые вещества, например инсулиноподобный фактор роста I (ИФР-1), могут вызывать биологический ответ с помощью эндокринного, паракринного и аутокрипного механизмов воздействия (Yakar et al., 2002). Совсем недавно было высказано предположение (Re, 2003), что некоторые факторы роста и пептидные гормоны могут непосредственно регулировать поведение клетки, которая их синтезировала, даже не покидая ее пределов (интракринное воздействие).

Несмотря на то что были открыты десятки гормонов, биологическая активность которых регулирует множество физиологических процессов, все они подчиняются нескольким фундаментальным закономерностям. Во-первых, гормоны продуцируются специализированными, лишенными протоков эндокринными железами и секретируются в кровяное русло, где они с кровью разносятся по всему телу и попадают к своим клеткам-мишеням, которые связывают гормон и реагируют на его наличие, изменяя свою биологическую активность определенным запрограммированным образом. Во-вторых, хотя некоторые эндокринные железы и являются главными элементами органов, специализированных па выполнении эндокринной функции (например, гипофиз, щитовидная железа), другие железы располагаются в органах, которые имеют иные основные физиологические функции (например, сердце, кишечник, почки). В-третьих, одна эндокринная железа может продуцировать более одного гормона. В-четвертых, за редкими исключениями одна эндокринная клетка может синтезировать и выделять только один гормон. В-пятых, конкретный гормон может секретироваться более, чем одной эндокринной железой. В-шестых, один гормон может стимулировать несколько разных физиологических реакций в нескольких различных типах клеток-мишеней. В-седьмых, каждый гормон в определенном типе клеток может стимулировать только один ответ. В-восьмых, любая клетка-мишень может взаимодействовать с несколькими различными гормонами, каждый из которых вызывает специфическую ответную реакцию. В-девятых, каждый конкретный вид внутриклеточных процессов, например гликолиз, может регулироваться более, чем одним гормоном. В-десятых, чувствительность клетки-мишени к специфическому гормону может определяться ее уровнем дифференцировки, присутствием других гормонов, внешними условиями и др.

Хотя эндокринная система регулирует множество биологических процессов в клетках-мишенях организма, физиологические эффекты гормонального воздействия можно свести к четырем основным группам. Это: 1) усвоение и метаболизм (анаболические и катаболические процессы ) питательных веществ; 2) поддержание водно-солевого баланса; 3) обеспечение роста и развития организма; 4) реализация репродуктивной функции.

 

Классификация и синтез гормонов

Содержание

[убрать]

· 1 Классификация гормонов и их синтез

o 1.1 Стероидные гормоны

o 1.2 Пептидные гормоны

o 1.3 Аминокислоты

o 1.4 Катехоламины

· 2 Читайте также

Классификация гормонов и их синтез

Все известные гормоны могут быть разделены на группы в зависимости от своего химического состава и способа синтеза следующим образом: 1) стероиды; 2) пептиды/белки; 3) амины.

Стероидные гормоны

Стероидные гормоны являются производными холестерина; к этой группе относятся половые стероиды (андрогены, эстрогены, прогестины), которые продуцируются в половых железах, а также глюкокортикоиды и минералкортикоиды, которые синтезируются надпочечными железами. У человека основным андрогеном или мужским половым гормоном, циркулирующим в крови, является тестостерон. Подобным обрезом эстрогены представляют собой семейство женских половых гормонов. У человека основным эстрогеном является эстрадиол, а в группе прогестинов преобладает прогестерон. Кортизол является основным глюкокортикоидом у человека, а альдостерон — основным минералкортикоидом.

Поскольку предшественником всех стероидных гормонов является одно и то же соединение — холестерин, то основным фактором, определяющим преобладающий продукт эндокринной железы, будут ферментативные пути биосинтеза. Вместе с тем из-за строго определенных отклонений в ферментативном синтезе в продуктах, секретируемых железой, наряду с основным обычно выявляются небольшие количества другого гормона. Например, основная масса стероидов, которые синтезируют семенники, представлена тестостероном, но наряду с ним в небольших количествах образуется еще и кортизол, появление которого обусловлено присутствием небольшого количества ферментов, входящих в состав пути биосинтеза этого стероида.

Скорость образования стероидных гормонов определяется, как и в случае всех прочих ферментативных процессов, активностью фермента, определяющего скорость цепи реакций в целом, т. е. фермента, катализирующего самую медленную реакцию в биохимическом каскаде. Для всех стероидных гормонов такой ограничивающей скорость реакцией является превращение холестерина в прегненолон. Таким образом, факторы, которые увеличивают скорость образования стероидов, главным образом ускоряют формирование прегненолона, а также увеличивают потребление эндокринной железой холестерина из крови (Rhoades, Pflanzer, 2003).

Эндокринные железы, которые продуцируют стероиды, не способны накапливать вновь синтезированный гормон, поэтому по мере синтеза стероид выделяется в систему кровообращения и, соответственно, скорость секреции гормона в кровь равна скорости его продукции в клетках эндокринной железы.

Пептидные гормоны

Белково-пептидные гормоны представляют собой аминокислотные цепи. В случае, если количество аминокислотных остатков в цепи не превышает 20, гормон обычно называют пептидным, если цепь включает 20 аминокислотных остатков или более, гормон называют белковым (Goodman, 1994). Примерами пептидных гормонов являются окситоцин, вазопрессин и соматостатин. В количество (-100) белковых гормонов, описанных к настоящему времени, входят инсулин, гормон роста, кальцитонин и глюкагон. Некоторые из этих белков существуют как относительно простые, одиночные аминокислотные цепи, тогда как другие характеризуются наличием дисульфидных связей, соединяющих различные участки полипептидной последовательности, и имеют сложную четвертичную структуру. Некоторые белковые гормоны могут даже состоять из нескольких субъединиц, объединенных вместе в единую структуру.

Независимо от своего конечного строения все белково-пептидные гормоны синтезируются в эндокринных клетках подобно всем остальным белкам. Это означает, что синтез предшественников белковопептидных гормонов происходит на рибосомах при участии тРНК и мРНК в виде гораздо более длинных цепей но сравнению с теми, которые обнаруживаются в составе активного гормона. Такие препрогормоны содержат сигнальную информацию, указывающую, что белок предназначен для выделения из клетки. Первоначальные модификации этих молекул происходят в эпдоплазматическом ретикулуме, там, где располагаются рибосомы, и включают протеолитические реакции, которые приводят к удалению аминокислотных составляющих, включая сигнальную последовательность, и соответственному укорочению цепи. Сформировавшиеся в результате этих процессов прогормоны попадают затем в комплекс Гольджи, где подвергаются дальнейшему протеолитическому расщеплению и, возможно, присоединению молекул углеводов (гликозилирование) или фосфатных групп (фосфорилирование). После завершения этих модификаций от комплекса Гольджи отсоединяется участок мембраны, формирующий везикулу, в которой заключен сформированный гормон. Эта секреторная везикула остается в цитоплазме эндокринной клетки до момента получения соответствующего сигнала, стимулирующего повышение концентрации ионов кальция в клетке. Это в свою очередь приводит к тому, что секреторная везикула сливается с плазматической мембраной клетки и выделяет гормон во внеклеточное пространство путем экзоцитоза. Обычно запас пептидно-белковых гормонов в клетке ограничен, поэтому сигнал, стимулирующий секрецию клеткой гормона, допускает и его дополнительный синтез (Rhoades, Pflanzer, 2003).

Протеолитическое расщепление прогормона во время синтеза гормонов белковой природы приводит к большому разнообразию гормонов, продуцируемых эндокринной системой. Одна и та же молекула-предшественник может подвергаться различным модификациям, приводящим к образованию разнообразных конечных продуктов. Возможно, наилучшим примером подобных процессов является предшественник проопиомеланокортина (ПОМК), который содержит аминокислотные последовательности нескольких белково-пептидных гормонов, в число которых входят адренокортикотропный гормон (АКТГ), β -эндорфин и β -липотронный гормон (Krieger et al., 1980; Chretian, Seidah, 1981). Каким будет основной гормон, производимый конкретной эндокринной железой, синтезирующей ПОМК, будут определять специфические протеолитические ферменты, которые экспрессируют клетки этой железы. Например, клетки передней доли гипофиза содержат набор ферментов, который обеспечивает формирование АКТГ в качестве основного конечного продукта образования прогормона ПОМК. В то же время нейроны головного мозга, которые также продуцируют ПОМК, содержат ферменты, которые расщепляют эту молекулу-предшественник таким образом, что секретируется преимущественно β -эндорфин. Альтернативные варианты образования ПОМК обнаружены в плаценте, репродуктивных органах, желудочно-кишечном тракте и легких (Liotta et al., 1982; Margioris et al., 1982). Такая специфическая продукция различных гормонов из одного общего предшественника в зависимости от наличного спектра ферментов обладает определенным сходством с особенностями процессов биосинтеза стероидов.

Аминокислоты

Амины также известны под названием гормонов — производных аминокислот, включают соединения, образованные из аминокислоты тирозина. В эту группу входят тиреоидные гормоны (тироксин Т4 и трийодтиронин Т3) и катехоламины (адреналин и норадреналин). Несмотря на то что все они происходят от общей молекулы-предшественника, тиреоидные гормоны и катехоламины различаются во многих аспектах, включая их синтез, транспорт в кровеносной системе и механизм воздействия на клетки-мишени. Эти группы аминов будут рассмотрены по отдельности с учетом особенностей их биосинтеза.

Формирование тиреоидных гормонов зависит от поглощения фолликулярными клетками щитовидной железы тирозина и минерального йодида. Тирозин используется в качестве основы для построения тироглобулина, который представляет собой крупный гликопротеин, накапливающийся в фолликулярных клетках в значительных количествах. При поглощении йодида из крови тирозиновые остатки тироглобулина подвергаются йодированию посредством многоэтапной реакции, которая оканчивается формированием Т4 либо Т, в зависимости от количества атомов йода, связавшихся с тироглобулином. Первоначально тирюглобулин взаимодействует с одним или двумя ионами йода, что приводит к образованию монойодтирозина (МИТ) или дийодтирозина (ДЙТ) соответственно. На следующем этапе энзиматического синтеза тиреоидных гормонов к молекуле тирюглобулина присоединяется еще два атома йода, благодаря чему МИТ превращается в Т3, а ДЙТ — в Т4. На этом этапе тиреоидные гормоны представляют собой часть крупного комплекса тироглобулина, который запасается в клетках желез. После стимуляции секреции тироидного гормона протеолитические ферменты в фолликулярных клетках расщепляют запасенный тироглобулин, что приводит к освобождению гормонов Т3 и Т4, а также их последующему выделению в кровяное русло.

Катехоламины

Катехоламины — адреналин и норадреналин также образуются на основе тирозина, однако их синтез происходит в клетках мозгового слоя надпочечников. Ткань мозгового слоя надпочечников в действительности представляет собой модифицированный компонент симпатической части вегетативной нервной системы. Мозговая ткань надпочечников получает сигнал непосредственно от нервных окончаний симпатической нервной системы и представляет собой пример нейроэндокринной функции.

Образование катехоламинов происходит в хромаффиниых клетках мозгового слоя надпочечников путем многоэтапного биосинтеза. Сначала тирозин при участии тирозингидролазы превращается в 3, 4-дигидроксифенилаланин (допа). Эта реакция является лимитирующей скорость процесса образования катехоламинов. Допа затем преобразуется в допамин, который в свою очередь превращается в норадреналин, основная масса последнего подвергается метилированию ферментом фенилэтаноламин-N-метилтрансферазой (PNMT) с образованием адреналина. Как адреналин, так и норадреналин являются катехоламинами, однако стахиометрическое соотношение этих соединений на этапе синтеза и выделения из надпочечников составляет 1: 4. Несмотря на это, по содержанию в крови норадреналин превосходит адреналин, однако основная масса этого норадреналина продуцируется симпатической нервной системой, где он выполняет функцию нейротрансмиттера и оттуда попадает в кровь. Вместе с тем основным катехоламином, циркулирующим в системе кровообращения, является адреналин (Hedge et al., 1987).

После образования катехоламины могут накапливаться в клетках железы, где происходил их синтез, в виде хромаффинных гранул. Стимуляция симпатической нервной системы приводит к выделению катехоламинов путем типичного экзоцитоза и усилению активации тирозингидролазы, последнее приводит к увеличению продукции катехоламинов хромаффинными клетками и восстановлению внутриклеточных депо катехоламииов (Rhoades, Pflanzer, 2003).

 

Регуляция секреции гормонов

Регуляция секреции гормонов

Степень воздействия гормона на ткань-мишень пропорциональна его концентрации в крови. Содержание любого биологически активного гормона в системе кровообращения определяется сочетанием нескольких факторов. К этим факторам относятся:

· скорость секреции в кровь эндокринной железой;

· для некоторых гормонов, в частности тиреоидных, скорость активации (превращения Т4 в Т3) в крови;

· для липофильных гормонов, а именно стероидных и тиреоидных, степень связывания белками плазмы крови;

· скорость инактивации и удаления из крови (клиренса).

Из всех этих факторов первый — скорость секреции в кровь — является основным, определяющим содержание гормона в системе кровообращения, в частности в условиях отсутствия физической нагрузки (Sherwood, 2004).

Существуют два типа секреции гормона в кровь (Kelly, 1985). Конститутивная секреция представляет собой непрерывное выделение эндокринного вещества в кровь с некоторой базовой скоростью. При таком механизме секреции гормон выделяется клеткой по мере его синтеза, поскольку железа не способна его накапливать, поэтому при получении стимулирующего сигнала происходит увеличение активности синтеза и вновь синтезированный гормон выделяется непосредственно в кровяное русло путем пассивной диффузии через клеточную мембрану. Такой тип секреции характерен для стероидных и тиреоидных гормонов, которые по своим свойствам являются липофильными, как и плазматическая мембрана клетки. Конститутивная секреция регулируется изменениями уровня фосфорилирования белков, которые выступают в роли ферментов пути биосинтеза.

Регулируемая секреция представляет второй тип высвобождения гормона из эндокринной железы в кровь. В этом случае между скоростью синтеза белка и его высвобождением в кровь нет прямой зависимости, как в случае конститутивной секреции. Вместо этого эндокринные железы, которые способны к регулируемой секреции, обладают способностью накапливать синтезированный гормон. Следует отметить, что и в этом случае накопительные способности железистой клетки ограничены. На самом деле для любого отдельно взятого гормона его запас в эндокринных тканях редко превышает суточную потребность организма (Baulieu, 1990).

В случае регулируемой секреции стимулирующее воздействие приводит к высвобождению путем экзоцитоза накопленных везикул, содержащих гормон. В большинстве случаев для обеспечения постоянной готовности клеток к выделению гормона сигнал, вызывающий высвобождение гормона, активизирует ферментативные системы его синтеза. Обычно высвобождению запасенного гормона и активации синтетических процессов предшествует поступление в клетку ионов кальция. Такая регулируемая форма секреции наблюдается для белково-пептидных гормонов и катехоламинов.

Как при конститутивной, так и при регулируемой секреции гормонов стимулом, регулирующим скорость секреции, обычно является: 1) изменение в плазме концентрации питательных веществ или ионов; 2) выделение нейронами нейротрансмиттеров, воздействующих на эндокринные клетки; 3) связывание клеточнымирецепторами гормонов, выделяемых другими эндокринными железами. Как правило, все эти события взаимосвязаны между собой определенным образом. С другой стороны, изменения в секреции гормонов обычно являются результатом воздействия нескольких факторов.

Ответ эндокринных желез на стимулирующее воздействие определяется чувствительной и эффективной системой обратной связи, которая передает информацию от ткани-мишени обратно к органу, выделяющему гормон. Наиболее распространенной формой регуляции скорости секреции в эндокринной системе является негативная обратная связь. Этот тип обратной связи можно наблюдать в случае, когда активность одной системы (эндокринная железа) модифицируется негативным образом, т. е. подавляется активностью другой системы (ткани-мишени), что позволяет поддерживать гомеостаз. Например, повышение концентрации глюкозы в крови стимулирует секрецию инсулина поджелудочной железой. Повышение содержания инсулина в крови способствует поглощению глюкозы мышечными клетками ткань-мишень для инсулина, а также превращению глюкозы в жир, результатом чего является нормализация содержания глюкозы в крови.

Существует несколько различных видов регуляции секреции гормонов путем негативной обратной связи. Управление секрецией нескольких важных гормонов осуществляет гипоталамо-гипофизарная система. Небольшой участок в основании мозга — гипоталамус — продуцирует несколько рилизинг-гормонов или либеринов, которые переносятся портальной системой кровеносных капилляров в переднюю долю гипофиза. В этом примере нейроэндокринной функции гипоталамус выделяет гормоны-либерины, которые, попадая в переднюю долю гипофиза, изменяют там скорость секреции ряда гормонов в систему кровообращения, которая обеспечивает их транспорт ко всем тканям организма. Эти гипофизарные гормоны могут оказывать непосредственное влияние на ткани-мишени, либо активировать железы третьего уровня этой системы регуляции, стимулируя секрецию их специфических гормонов в кровеносное русло.

Что касается негативной обратной связи, в этой нейроэндокринной системе можно выделить “короткую” и “длинную" регуляторные цепи (Vander et al., 2001). В качестве примера действия короткой цепи негативной обратной связи можно привести ситуацию, когда высокий уровень пролактина в крови детектируется гипоталамусом, в ответ на это там происходит выделение допамина, который направляется в гипофиз и ингибирует секрецию гипофизом пролактина в кровеносное русло. В случае системы, состоящей из трех органов, показано существование длинной петли обратной связи. В качестве иллюстрации такого механизма обратной связи рассмотрим регуляцию синтеза кортизола. Рассматриваемая система состоит из гипоталамуса, гипофиза и коры надпочечников. Гипоталамус выделяет кортиколиберин или кортикотропин-рилизинг-гормон (КРГ) в портальную систему кровеносных капилляров, по которой это вещество попадает в переднюю долю гипофиза. После связывания кортиколиберииа с клеточными рецепторами гипофиз выделяет в кровеносное русло АКТГ, который по большому кругу кровообращения попадет к клеткам надпочечников. В тканях коры надпочечников (напомним, что мозговое вещество надпочечников продуцирует катехоламины) АКТГ индуцирует высвобождение в кровь кортизола, который оказывает специфическое воздействие на ткани-мишени печени, скелетных мышц и жировых отложений. В этом случае негативная регуляция наблюдается, когда повышение содержания кортизола в крови подавляет выделение АКТГ гипофизом и/или КРГ гипоталамусом. Этот пример показывает, насколько совершенной в эндокринной системе является интеграция подаваемых и принимаемых сигналов, которая позволяет регулировать секрецию гормонов в эндокринной системе из нескольких органов с помощью короткой и длинной цепей обратной связи (Vander et al., 2001).

Несмотря на то что негативная обратная связь является преобладающим механизмом регуляции, для изменения уровня секреции гормонов в организме используется также позитивная обратная связь. В случае позитивной обратной связи эндокринная железа, продуцирующая гормон, контролирует индуцированные этим гормоном изменения биологической активности ткани-мишени. Если ткань-мишень реагирует недостаточно интенсивно, эндокринная железа выделяет дополнительное количество гормона до тех пор, пока активность биологического процесса, который он регулирует, не достигнет адекватного уровня. Примером позитивной обратной связи является регуляция эндокринной функции во время родов. Окситоцин, выделяемый задней долей гипофиза, стимулирует сокращение матки. По мере прохождения родового процесса и увеличения потребности в более сильных родовых схватках активность матки сигнализирует гипофизу о потребности увеличения секреции окситоцина, что приводит к усилению силы и частоты сокращений матки и позволяет родам завершиться благополучно.

Хотя основной функцией эндокринной системы является поддержание гомеостаза, изменения внутренней среды организма и внешних условий не единственный регулятор секреции гормонов. Концентрация большинства гормонов в крови подвергается прогнозируемым флуктуациям или ритмическим колебаниям, происходящим на протяжении определенного периода времени. Наиболее хороню изучены циркадные или суточные ритмы эндокринной системы. Циркадный ритм характеризует периодические колебания, происходящие в течение 24 ч солнечных суток, тогда как суточный ритм относится к колебаниям уровня секреции гормона, связанным со сменой дня и ночи. Часто эти термины используются как синонимы. Такие естественные, запрограммированные ритмы активности эндокринных желез поддерживаются супрахиазматическими ядрами гипоталамуса. Этот пейсмекер (ритмоводитель) регулирует секрецию гормонов на основании собственных внутренних часов и задаст специфический характер секреции для каждого гормона, например, содержание кортизола в крови выше всего утром, тогда как максимальное содержание гормона роста наблюдается в ночные часы (Illnerova ct al., 2000).

Наряду с суточными колебаниями уровня секреции гормонов, часто наблюдаются и регулярные пульсации с более коротким периодом, которые называются ультралианным ритмом и накладываются на циркадный ритм. Эти периодические повышения секреции гормонов, вероятно, являются следствием возрастания активности гипоталамуса и имеют важное физиологическое значение. Так, было показано, что при одном и том же общем количестве выделяемого гормона усвоение глюкозы было более эффективным в случае, когда кривая продукции инсулина имела волнообразный вил, по сравнению с ситуацией, когда его уровень в крови был постоянным (Porksen, 2002).

Известно также, что секреция гормонов изменяется и на протяжении года, хотя здесь основная масса данных была получена на животных. Годовые ритмы соответствуют изменению продолжительности светового дня, которая регистрируется шишковидной железой центральной нервной системы (Short, 1985). Эта железа, которую за фоточувствительность часто называют еще " третьим глазом", в ответ на изменение продолжительности светового дня регулирует количество выделяемого ею мелатонина (Tamarkin ct al., 1985). Другие сезонные изменения поведения, такие, как зимняя спячка, миграции и даже изменения окраски меха, управляются прогнозируемыми изменениями уровня мелатонина в крови. У человека усиление продукции мелатонина, происходящее при сокращении продолжительности светового дня, может вызывать изменения настроения и даже депрессию (Lcwy et al., 1987). Ранее было показано, что у всех млекопитающих, не исключая и человека, мелатонин играет главную роль в поддержании циркадных ритмов, оказывая влияние на клетки супрахиазматичсских ядер (Pcvct ct al., 2002).

 

Транспорт гормонов в крови

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: