Гормоны семейства проопиомеланокортина

Проопиомеланокортин (ПОМК) имеет 265 аминокислотных остатков. Тела ПОМК-содержащих клеток найдены не только в гипофизе, но и в нервной системе: в гипоталамическом аркуатном ядре, ядре солитарного тракта в каудальном отделе ствола головного мозга, в спинном мозге и спинномозговых ганглиях. Окончания их волокон определяются в различных областях гипоталамуса и в других мозговых структурах, в частности в лимбической системе.

В настоящее время известно, что многие ткани содержат клетки, способные продуцировать ПОМК, но на более низком уровне, чем в гипофизе, в том числе клетки кожи, селезенки и иммунокомпетентные клетки – лимфоциты и макрофаги.

Протеолитические ферменты, обеспечивающие внутриклеточное "разрезание" ПОМК (посттрансляционный процессинг) имеют тканевую и временную специфичность и обеспечивают образование гормонально активных пептидов. Принятая в настоящее время схема процессинга приведена на рис. 4.

Группа пептидов, имеющих сходные аминокислотные последовательности: АКТГ, α-, β- и γ-МСГ, – получили название меланокортиновых пептидов, или меланокортинов. Все они содержат неизменную последовательность четырех аминокислот: His-Phe-Arg-Trp, соответствующую фрагменту АКТГ_4-9.

Биологические эффекты пептидов, происходящих из ПОМК, в большой степени опосредуются через меланокортиновые рецепторы (МК), пять типов которых описаны в настоящее время.

Рис. 4. Меланокортиновые пептиды: АКТГ и α-, β- и γ-МСГ, образующиеся при посттрансляционном процессинге ПОМК, являющегося также прекурсором для опиоидных пептидов и CLIP-кортикоподобного пептида промежуточной доли (по A. Catania, S. Gatti, G. Colombo, I. Lipton, 2004).

Хотя адреналовые стимулирующие эффекты АКТГ и пигментные влияния МСГ известны более 50 лет, исследования о том, что меланокортиновые пептиды обладают множественными эффектами в организме, являются более недавними. Эти эффекты несоизмеримы и простираются от модуляции лихорадки и воспаления до контроля приема пищи, автономных функций и экзокринной секреции. Более того, недавнее исследование показало, что определенные меланокортиновые пептиды обладают антимикробными эффектами.

В последние годы установлено, что посттрансляционное расщепление ПОМК в гипоталамусе может регулироваться в соответствии с энергетической потребностью. Эта регуляция опосредуется особым гормоном – лептином, представляющим собой циркулирующий в крови протеин. Он синтезируется в жировой ткани, что, в частности, подтверждается положительной корреляцией между концентрацией в ней мРНК лептина и процентом жира в теле.

Лептин обнаружен в цереброспинальной жидкости и может транспортироваться в мозг. Рецепторы к нему широко представлены в аркуатном ядре гипоталамуса.

В целом, лептин является частью петли обратной связи: жировая ткань продуцирует его как гуморальный сигнал, который пропорционален количеству жира и действует на гипоталамус, чтобы уменьшить потребление пищи и увеличить расход энергии. Сигналы лептина улавливаются и трансдуцируются ПОМК-ергическими нейронами: лептин прямо усиливает в них потенциалы действия. При этом происходящие из ПОМК биоактивные пептиды (АКТГ, МСГ) являются эндогенными лигандами МК-4 рецепторов, через которые осуществляется контроль аппетита и энергетического гомеостаза. Эта гипотеза получила название липостатической. Ее достоверность подтверждается целым рядом фактов. Так, у мышей с генетически отсутствующими рецепторами к лептину или МК-4 рецепторами проявляется фенотип с ожирением вследствие тяжелой гиперфагии. Уровни мРНК ПОМК значительно ниже в гипоталамусе ожиревших крыс с дефицитом рецепторов к лептину.

Эффекты АКТГ

1. Адренокортикотропное действие, т.е. стимуляция секреции коры надпочечников. Основной эффект – активация пучковой зоны и увеличение продукции кортизола, в меньшей степени – сетчатой зоны и секреции андрогенов и в малой степени – альдостерона.

2. Метаболическое действие. В основном зависит от продукции глюкокортикоидов, но включает и вненадпочечниковые эффекты.

Изменение белкового обмена при гиперпродукции АКТГ: АКТГ → усиление синтеза кортизола в надпочечниках → усиление катаболизма белков → в условиях повышенного распада белков – усиление анаболизма.

Влияние избытка АКТГ на жировой обмен:

а) АКТГ → вненадпочечниковый механизм: усиление липолитической активности жировой ткани → усиление распада жиров → выход в кровь свободных жирных кислот и их окисление до кетоновых тел;

б) АКТГ → надпочечниковый механизм: торможение мобилизации жира + торможение липолитического действия СТГ → активация глюконеогенеза → стимуляция образования жира.

3. Нейротропное действие обусловлено N-концевым фрагментом молекулы гормона – АКТГ_4-10 (4-10 – обозначение последовательности аминокислотных остатков). Основные эффекты: улучшение внимания и кратковременной памяти, ускорение обучения человека и животных, улучшение выбора биологически целесообразного поведения при стрессе.

4. Влияние на образование меланина и пигментацию кожи. Действие аналогично эффекту МСГ и объясняется тем, что АКТГ содержит в своей молекуле всю аминокислотную последовательность меланоцитстимулирующего гормона.

Патология

Гиперсекреция АКТГ наблюдается при базофильной аденоме передней доли гипофиза и нарушениях в гипоталамусе (недостаток дофамина) и приводит к развитию болезни Иценко-Кушинга. Основной механизм патогенеза – избыточная стимуляция под действием АКТГ коры надпочечников и развитие вторичного гиперкортизолизма. Гиперпродукция кортизола проявляется характерными нарушениями метаболизма, связанными с повышенным распадом белков, глюконеогенезом, перераспределением липидов. Однако интенсивность этих проявлений меньше, чем при первичном гиперкортизолизме, вследствие анаболических эффектов андрогенов, секреция которых также стимулируется избытком АКТГ. У женщин при этом в значительной степени проявляются вирилизм, гирсутизм, нарушение менструаций. Схемы соотношений в гипоталамо-гипофизарно-адреналовой оси в норме и при болезни Иценко-Кушинга представлены на рис. 5 и 6.

Лечение болезни Иценко-Кушинга путем двусторонней адреналэктомии приводило к развитию синдрома Нельсона, который проявляется гиперпигментацией кожных покровов и слизистых оболочек и хронической недостаточностью надпочечников. Нарушение обратной связи приводит к разрастанию аденомы и дальнейшей гиперсекреции АКТГ, с чем связывают усиление его меланоцитстимулирующего эффекта.

Меланотропины

α- и β-МСГ действуют на пигментные клетки (меланоциты). Вызывают распределение пигмента вдоль островков клеток, вследствие чего кожа темнеет. При недостатке гормона глыбки пигмента концентрируются в центре клетки – кожа светлеет. Гормон участвует в темновой адаптации глаза, повышает остроту зрения.

Установлено также нейротропное действие МСГ: улучшение внимания, восприятия и кратковременной памяти.

Кроме того, следует отметить антипиретические эффекты меланокортинов. Так, α-МСГ ослаблял лихорадку при центральном введении в дозах, которые не оказывали влияния на нормальную температуру тела. АКТГ_1-24 и АКТГ_1-39, содержащие такую же последовательность аминокислот, также ослабляли лихорадку. Эффект сохранялся у адреналэктомированных животных.

Эти эффекты α-МСГ и его присутствие в мозге позволили предположить, что этот пептид может быть эндогенным модулятором лихорадки. В экспериментах на животных установлено, что во время лихорадки увеличивается его содержание в медиобазальном гипоталамусе и перегородке. Инактивация же пептида, образующегося в естественных условиях, ослабляла лихорадку, но не влияла на нормальную температуру тела.

Антипиретические эффекты α-МСГ опосредуются меланокортиновыми рецепторами 4-го типа.

Рис. 5. Схема соотношений в гипоталамо-гипофизарно-адреналовой оси в норме. Условные обозначения:

– активирующие влияния,

– угнетающие влияния.

Липотропины

Липотропин (β- и γ-) обладает липотропной активностью, а также некоторой кортикотропной и меланоцитстимулирующей активностью. Механизм липотропного действия: активация липазы жировой ткани → липолиз и освобождение жирных кислот. Кроме того, липотропины ускоряют обмен глюкозы в жировой ткани.

Эндорфины

Эндорфины относятся к группе опиоидных пептидов, рецепторы которых обнаружены, в первую очередь, в мозговых структурах, имеющих непосредственное отношение к проведению болевых импульсов и восприятию боли (околоводопроводное серое вещество среднего мозга, лимбическая система, спинной мозг). Эндорфины и другие опиоидные пептиды – энкефалины - обнаружены в различных отделах мозга.

Рис. 6. Изменения соотношения между компонентами гипоталамо-гипофизарно-адреналовой оси при болезни Иценко-Кушинга, вызванной аденомой аденогипофиза.

Утолщенные линии обозначают усиление влияний и функции, пунктирные – ослабление влияний. Остальные обозначения как на рис. 5.

Биологические эффекты:

1. Выполнение функции медиаторов анальгетической (антиноцицептивной системы.

2. Влияние на эмоциональное состояние – формирование чувства удовлетворения, успокоения (поэтому эти пептиды называют пептидами вознаграждения), а также радостного, приподнятого настроения – эйфории.

3. Влияние на обучение и память.

4. Модулирующее действие на развитие иммунного ответа.

5. Участие в регуляции секреции пролактина, СТГ, ЛГ.

6. Стресс-лимитирующее действие.

Соматотропный гормон

Соматотропный гормон (СТГ), или гормон роста (ГР) – пептидный гормон, содержащий 191 аминокислотный остаток.

Особенности механизмов действия на ткани. На основании сопоставления метаболического действия СТГ in vivio и in vitro было сделано предположение об опосредованном участии его эффектов специальными медиаторами, образующимися в организме. В дальнейшем было установлено существование таких посредников, названных соматомединами. В настоящее время известно 4 соматомедина: А, А₁, В и С. Они представляют собой полипептиды, синтезируемые в печени. Однако не исключается возможность их продукции в других тканях.

Соматомедины (в первую очередь соматомедин С) вовлечены в регуляцию секреции СТГ по механизму отрицательной обратной связи. В торможении секреции гормона принимает участие соматостатин, продуцируемый в гипоталамусе.

Эффекты СТГ

В настоящее время эффекты СТГ разделяют на:

1) прямые: стимуляция синтеза соматомединов, в первую очередь, - соматомедина С (синоним – инсулиноподобный фактор роста-1 или ИФР-1) в печени и других тканях, стимуляция липолиза в жировой ткани и продукции глюкозы в печени;

2) непрямые: анаболическое действие и стимуляция роста. Эти эффекты опосредуются ИФР-1 и подавляются глюкокортикоидами.

Схема регуляции выделения ГР представлена на рис. 7.

Из рисунка видно, что секреция ГР стимулируется ГР-рилизинг гормоном (ГРРГ) и угнетается соматостатином. Отрицательная обратная связь на уровне гипофиза осуществляется соматомедином С (инсулиноподобный фактор роста-1). Этот фактор действует также на уровне гипоталамуса и стимулирует секрецию соматостатина.

Кроме этого, на основе фармакологических данных установлено, что выделение ГРРГ стимулируется ацетилхолином, α-адренергическими и допаминергическими влияниями, но угнетается β-адренергическими.

Секреция соматостатина (in vitro) стимулируется ацетилхолином и VIP и угнетается ГАМК.

В естественных условиях выделение ГР модифицируется эндогенными ритмами сна, стрессом и физическими упражнениями.

Механизмы эффектов

Метаболическое действие

Белковый обмен: усиление синтеза белков. Механизмы: гормон создает условия для проникновения аминокислот через клеточную мембрану посредством повышения ее проницаемости, усиливает включение аминокислот в белки цитоплазмы клеток костной ткани, мышц, печени и почек, уменьшает активность протеолитических ферментов, стимулирует синтез рибонуклеиновой кислоты. Анаболическое действие СТГ проявляется в присутствии инсулина. Оно усиливается также малыми дозами глюкокортикоидов, но угнетается большими дозами.

Рис. 7. Регуляция секреции гормона роста. Условные обозначения как на рис. 5.

Углеводный обмен. Анаболическое действие на углеводный обмен требует наличия инсулина. Поэтому при гиперпродукции СТГ сначала происходит активация, затем – истощение клеток и при длительном действии СТГ способствует развитию инсулинорезистентности и сахарного диабета. Действие на уровень глюкозы двоякое: сразу после введения СТГ увеличивает потребление глюкозы тканями и угнетается активность гексокиназы (уменьшается всасывание глюкозы в кишечнике), что приводит к гипогликемии, затем - гипергликемия. Механизм эффекта связывают с разной активностью N-концевой части молекулы (инсулиноподобное действие) и С-концевой (диабетогенная активность).

Механизмы развития гипергликемии при избытке СТГ:

Ø СТГ → стимуляция α-клеток поджелудочной железы → усиление выработки глюкагона → активация гликогенолиза → гипергликемия;

Ø СТГ → активация инсулиназы печени → разрушение инсулина → гипергликемия;

Ø СТГ + глюкокортикоиды → торможение поглощения глюкозы тканями → гипергликемия.

Жировой обмен: гормон повышает чувствительность адипоцитов к тоническим липолитическим влияниям, активность липаз и усиливает липолиз (жиромобилизующее действие). При избытке СТГ на фоне больших концентраций глюкокортикоидов усиливается липолиз в жировой ткани, на фоне высоких концентраций - замедляется. Считают, что влияние СТГ на жировой и белковый обмен не требует участия соматомединов.

Лактогенное действие. Проявляется у человека и высших обезьян и обусловлено метаболическим влиянием на ткань молочных желез.

2. Ростовые эффекты.

Существуют данные о различной локализации метаболической и ростовой активности в пределах молекулы гормона. Наиболее отчетливый эффект - стимуляция роста хряща.

Механизмы:

Ø митогенное действие (увеличение числа митозов в ткани);

Ø усиление синтеза белка, включения тимидина в ДНК, синтеза РНК, образования хондроитин-сульфата.

Эффекты опосредуются соматомединами, в первую очередь соматомедином С. Могут играть значительную роль в процессах регенерации тканей, заживления ран, в развитии компенсаторной гипертрофии после удаления одного из органов (например, почки). В последние годы появились данные о влиянии СТГ на рост лимфатических желез, лейкопоэз в костной ткани и функцию вилочковой железы.