Раздел 8. Взаимосвязь и регуляция обмена веществ. Гормоны
Гормоны представляют собой биоорганические соединения различной химической природы, структура которых обуславливает их специфическую активность системных регуляторов физиологических процессов. Главный и первичный объект действия гормонов – внутриклеточные обменные процессы. Обладая большой мощностью и широким спектром действия на обмен веществ, гормоны способны вторично изменять функцию и структуру клеток, тканей и других органов. Гормональная регуляция оказывает существенное, порой решающее, влияние на фундаментальные жизненные процессы: синтез нуклеиновых кислот и белков в клетках, их гипертрофию и гиперплазию. Нарушение функционирования того или иного звена эндокринной системы может значительно изменить нормальное течение этих процессов, приводя к глубокой патологии, часто несовместимой с жизнью. Изучение химической структуры и свойств гормонов позволяет понять механизмы реализации их биологических эффектов, а последнее, в свою очередь, создает рациональную основу для эффективного управления физиологическими функциями организма.
Цель изучения раздела: уметь использовать знания о структуре, свойстве, обмене и функции витаминов и гормонов для расшифровки биохимических механизмов некоторых заболеваний, возникающих в организме в результате нарушений функции гормонов, знать биохимические основы применения гормонов как лекарственных препаратов.
Студент должен:
Усвоить:современные представления о взаимосвязи структуры, метаболизма, механизма действия и функций гормонов;
Уметь:оценивать роль эндокринных механизмов в изменении обменных процессов у здорового человека и при различных формах патологии.
Рекомендуемые темы реферативных сообщений
1. Гипоталамус – узел перекреста нервно-рефлекторных и гуморальных механизмов регуляции обмена веществ.
2. Гормоны гипоталамуса. Структура и свойства.
3. Вторичные внутриклеточные посредники гормонов.
4. Молекулярные механизмы передачи гормонального сигнала глюкоротикоидов на генетический аппарат клетки.
5. Тестостерон. Биосинтез, физиологические и биохимические эффекты.
6. Особенности рецепторной системы и внутриклеточной передачи регуляторных сигналов инсулина.
7. Глюкогон и инсулин. Особенности взаимодействия в периоде абсорбции пищевых веществ.
8. Катехоламины: рецепторы и механизмы действия на обмен углеводов и липидов.
9. Йодированные гормоны щитовидной железы. Роль поступления йода во взаимодействии тиреотропного гормона и йодированных гормонов щитовидной железы.
10. Простагландины. Особенности образования и действия.
11. Современные представления о структуре и свойствах интерлейкинов.
12. Современные представления о структуре и свойствах факторов роста.
13. Эритропоэтин. Физиологические и биохимические эффекты.
14. Гормоны белой жировой ткани. Структура и свойства.
15. Лейкотриены – медиаторы воспаления.
16. Д-гормон. Образование, влияние на обмен веществ.
Биохимия гормонов. Молекулярные механизмы передачи гормонального сигнала
В разделе формируются представление об основных системах регуляции метаболизма и межклеточных коммуникациях, трех иерархических уровнях регуляторных систем (ЦНС, эндокринная система, клетка) и способах передачи информации между ними. Обсудить роль гормонов как химических посредников, переносящих сигналы, возникающие в различных органах и ЦНС. Дать определение гормонов и отличие их от гормоноподобных веществ.
Методические указания к самоподготовке
Вопросы к разделу
1. Основные системы регуляции метаболизма и межклеточных коммуникаций. Иерархия регуляторных систем.
2. Гормоны. Определение. Роль гормонов в регуляции обмена веществ и функций организма. Классификации и номенклатура гормонов.
3. Механизмы регуляции, поддерживающие концентрацию гормонов в крови на необходимом уровне (механизмы положительной и отрицательной обратной связи)
4. Понятие о дистантном действии гормонов. Гормоны как первичные посредники передачи информации от ЦНС в клетку. Ткани-мишени для гормонов.
5. Рецепторы гормонов. Химическая природа рецепторов. Особенности их строения. Локализация рецепторов в клетке в зависимости от структурных особенностей гормона.
6. Мембранно-цитозольный механизм действия гормонов. Рецепторы, локализованные в мембране. Их характеристика. Роль вторичных мессенджеров (цАМФ, цГМФ, инозитол-1,4,5- трифосфат, ДАГ, ионы кальция)
7. Механизмы передачи информации через рецепторы, сопряженные с G-белками. Аденилатциклазная система. Инозитолфосфатная система. Участники этих систем.
8. Последовательность событий передачи сигнала первичных мессенджеров в клетку с помощью аденилатциклазной системы. Активация и инактивация аденилатциклазы и протеинкиназы А. Фосфодиэстераза и фосфопротеинфосфатаза). Участие аденилатциклазной системы в регуляции экспрессии генов. Примеры гормонов, передающих информацию через эту систему.
9. Последовательность событий передачи гормонального сигнала в клетку с помощью инозитолфосфатной системы. Рецептор - G-белок, ФЛС – образование ДАГ и ИФ – активация протеинкиназы С. Кальмодулин. Са-кальмодулин зависимые протеинкиназы. Инактивация системы. Примеры гормонов, передающих информацию через эту систему.
10. Каталитические рецепторы, проявляющие тирозинкиназную активность. Общая схема механизма активации и инактивации. Примеры гормонов, передающих информацию через эту систему.
11. Рецепторы гормонов с гуанилатциклазной активностью. Виды гуанилатциклазы. Протеинкиназа G. Примеры гормонов, передающих информацию через эту систему. Роль и механизм действия NO как вторичного посредника.
12. Передача сигнала с помощью внутриклеточных рецепторов. Последовательность событий, приводящих к изменению скорости транскрипции. Примеры гормонов, передающих информацию через эту систему.
Для успешного усвоения темы и активной работы на занятии, выполните следующие задания согласно таблице 22.
Таблица 22. Гормоны, механизмы действия
| Задание | Характеристика задания |
| Сформулируйте понятие «гормон», рассмотрите классификацию гормонов. | 1. Сформулируйте современное понятие «гормон», подчеркнув основные отличительные особенности этой группы сигнальных молекул. 2. Перечислите эндокринные железы и продуцируемые ими гормоны. 3. Охарактеризуйте различия между системными гормонами и тканевыми гормонами. 4. Выделите основные группы гормонов по химической природе и приведите примеры. 5. Охарактеризуйте гормоны по влиянию на отдельные виды обмена (обмена белков, липидов, углеводов). |
| Рассмотрите основные принципы действия гормонов на метаболизм клеток. | 1. Выделите основные биологические функции гормонов. 2. Подчеркните особенности синтеза, транспорта, взаимодействия с клетками и основные эффекты гормонов: регуляцию активности белков, биогенеза и продолжительности их функционирования. 3. Охарактеризуйте понятие «клетка-мишень» и особенности гормон-рецепторных взаимодействий. |
| 9.Изучите молекулярные механизмы внутриклеточной передачи гормональных сигналов. | 1. Дайте классификацию мембранных рецепторов. Что такое «первичный месенджер», «каскад передачи сигнала», «вторичный мессенджер» 2. Охарактеризуйте рецепторные комплексы стероидных и белково-пептидных гормонов. 3. Выпишите схему действия на «клетки-мишени» стероидных гормонов и йодированных гормонов щитовидной железы. 4. Перечислите вторичные посредники передачи гормональных сигналов. 5. Выпишите схему действия гормонов через аденилатциклазную систему. 6. Выпишите схему передачи сигналов инозитолфосфатной системой. Дайте общую схему механизма действия каталитических рецепторов тирозинкиназной активности. Приведите примеры гормонов. |
Пример задания контроля исходного уровня знаний
1.РОЛЬ РЕЦЕПТОРОВ - МАКРОМОЛЕКУЛ
1) Предназначены для присоединения лекарств
2) Не восприимчивы к антагонистам
3) Предназначены для физиологических нейромедиаторов и гормонов
4) Имеются только на наружной мембране
5) Имеются только внутри клетки
2.СОСТАВЛЯЮЩИЕ G-БЕЛКА
1) Гомодимеры α - субъединиц
2) Гетеродимеры α- и β- субъединиц
3) Гетеротримеры α-, β- и γ-субъединиц
4) Гетеротетромеры α-, β-, γ- и ε- субъединиц
5) Две α- и две β- субъединицы
3.G - БЕЛКИ МОГУТ ПЕРЕНОСИТЬ КАК СТИМУЛИРУЮЩИЕ, ТАК И ИНГИБИТОРНЫЕ СИГНАЛЫ В КЛЕТКУ. ПУТИ ПЕРЕНОСА ИНФОРМАЦИИ
1) Белки типа Gs и Gi участвуют во всех путях переноса информации от рецепторов мембранного типа
2) Белки типа Gs участвуют во всех путях переноса информации от рецепторов мембранного типа
3) Белки типа Gi участвуют во всех путях переноса информации от рецепторов мембранного типа
4) Белки типа Gs и Gi участвуют в фосфоинозитидном каскаде переноса информации от рецепторов мембранного типа
5) Белки типа Gi участвуют в фосфоинозитидном каскаде переноса информации от рецепторов мембранного типа
4. ПРАВИЛЬНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВКЛЮЧЕНИЯ БЕЛКОВ АДЕНИЛАТЦИКЛАЗНОЙ СИСТЕМЫ ВТОРИЧНОГО ГОРМОНАЛЬНОГО ПОСРЕДНИКА
1. Рецептор гормона → аденилатциклаза → G - белок → протеинкиназа → киназа фосфорилазы→ фосфорилаза
2. Рецептор гормона → G – белок → аденилатциклаза → киназа фосфорилазы →протеинкиназа→фосфорилаза
3. Рецептор гормона → G - белок → аденилатциклаза → фосфорилаза → киназа фосфорилазы → протеинкиназа
4. Рецептор гормона → G – белок → аденилатциклаза → протеинкиназа → киназа фосфорилазы → фосфорилаза
5. ГОРМОН, СВЯЗЫВАЮЩИЙСЯ С РЕЦЕПТОРОМ, ЛОКАЛИЗОВАННЫМ НА ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЕ КЛЕТКИ
1) Андростерон
2) Глюкагон
3) Прогестерон
4) Кортизол
5) Эстриол
6.НЕКОТОРЫЕ ГОРМОНЫ (ВАЗОПРЕССИН, ГАСТРИН, ХОЛЕЦИСТОКИНИН) РЕГУЛИРУЮТ АКТИВНОСТЬ ВНУТРИКЛЕТОЧНЫХ ФЕРМЕНТОВ ПОСЛЕ СВЯЗЫВАНИЯ СВОЕГО ВТОРИЧНОГО ПОСРЕДНИКА СО СЛЕДУЮЩИМ ВЕЩЕСТВОМ
1) Кальцитонин
2) Кальмодулин
3) Белок – репрессор
4) Протеинкиназа
5) Фосфодиэстераза
7.В ГЕНОМЕ ВСЕХ ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ КЛЕТОК ПРИСУТСТВУЮТ АНАЛОГИ ОНКОГЕНОВ, НАЗЫВАЕМЫЕ ПРОТООНКОГЕНАМИ (ПРЕДШЕСТВЕННИКИ ОНКОГЕНОВ). ИХ ФУНКЦИЯМИ ЯВЛЯЮТСЯ
1) Протоонкогены, как правило, обладают трансформирующими свойствами
2) Протоонкогены кодируют синтез факторов роста
3) Протоонкогены кодируют синтез рецепторов факторов роста
4) Протоонкогены кодируют синтез G – белков, активирующих аденилатциклазу
5) Протоонкогены кодируют синтез G – белков, активирующих аденилатциклазу, факторы роста, рецепторы факторов роста, белки, связывающиеся с ДНК
8.ХОЛЕРНЫЙ ТОКСИН – ФЕРМЕНТ, ВЫРАБАТЫВАЕМЫЙ VIBRIO CHOLERAE. МИШЕНЬ ХОЛЕРНОГО ТОКСИНА В ЭПИТЕЛИАЛЬНЫХ КЛЕТКАХ КИШЕЧНИКА
1) α – Субъединица Gs, так что она перестает гидролизовать ГТФ
2) Аденилатциклаза , так что она перестает синтезировать цАМФ
3) β – Субъединица Gs, так что она перестает гидролизовать ГТФ
4) γ – Субъединица Gs, так что она перестает гидролизовать ГТФ
5) Фосфодиэстераза, так что она перестает гидролизовать цАМФ
9.ТОКСИН КОКЛЮША – ФЕРМЕНТ, ВЫРАБАТЫВАЕМЫЙ BORDETELLA PERTUSSIS. МИШЕНЬ ТОКСИНА В ЭПИТЕЛИАЛЬНЫХ КЛЕТКАХ ДЫХАТЕЛЬНЫХ ПУТЕЙ
1) Аденилатциклаза, которая перестает синтезировать цАМФ
2) Белок Gi так, что он теряет способность обменивать ГДФ на ГТФ и блокировать активацию аденилатциклазы
3) γ- Субъединица Gs, так что она перестает гидролизовать ГТФ и постоянно активирует аденилатциклазу
4) β – Субъединица Gs,, так что она перестает гидролизовать АТФ и постоянно активирует аденилатциклазу
5) α – Субъединица Gs, так что она перестает гидролизовать ГТФ и постоянно активирует аденилатциклазу
10.ВТОРИЧНЫЕ ПОСРЕДНИКИ (МЕССЕНДЖЕРЫ) , ОБРАЗУЮЩИЕСЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ГИДРОЛИТИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ, КАТАЛИЗИРУЕМОЙ ФОСФОЛИПАЗОЙ С
1) Инозитолтрифосфат
2) 3’,5’- АМФ (цАМФ)
3) 3’,5’ – ГМФ (цГМФ)
4) Инозитолтрифосфат и диацилглицерол
5) Диацилглицерол
11.ГОРМОН, СВЯЗАННЫЙ С РЕЦЕПТОРОМ, ЛОКАЛИЗОВАННЫМ В ЦИТОПЛАЗМЕ КЛЕТКИ
1)Тиреокальцитонин
2)Меланолиберин
3)Инсулин
4) Адреналин
5)Эстрадиол
12.ГОРМОН, СВЯЗАННЫЙ С РЕЦЕПТОРОМ, ЛОКАЛИЗОВАННЫМ В ЦИТОПЛАЗМЕ КЛЕТКИ
1)Глюкагон
2)Паратгормон
3)Меланостатин
4) Кортизол
5)Инсулин
13.ВЕЩЕСТВА, КОТОРЫЕ МОГУТ ВЫСТУПАТЬ В РОЛИ АЛЛОСТЕРИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОРОВ
1) Конечные продукты цепей последовательных реакций, регулирующие таким образом свой собственный синтез
2) АТФ, АДФ, АМФ, НАД+ и НАД-Н
3) Гормоны и медиаторы
4) Конечные продукты цепей последовательных реакций, регулирующие таким образом свой собственный синтез; АТФ, АДФ, АМФ, НАД+ и НАД-Н; гормоны и медиаторы
5) Витамины; конечные продукты цепей последовательных реакций, регулирующие таким образом свой собственный синтез; АТФ, АДФ, АМФ, НАД+ и НАД-Н; гормоны и медиаторы
14. ХАРАКТЕРИСТИКИ АЛЛОСТЕРИЧЕСКОГО ФЕРМЕНТА АСПАРТАТТРАНСКАРБОМОИЛАЗЫ ИЗ КИШЕЧНОЙ ПАЛОЧКИ, ИЗУЧЕННОГО ДЖОНОМ ГЕРХАРДОМ И ХОВАРДОМ ШОКМАНОМ
1) Катализирует синтез ЦТФ
2) Катализирует синтез УТФ
3) Состоит из трех каталитических и трех регуляторных субъединиц
4) Состоит из двух каталитических и трех регуляторных субъединиц
5) Его активность аллостерически регулируется субстратами карбамоилфосфатом и аспартатом
15. GS – БЕЛКИ СТИМУЛИРУЮТ АКТИВНОСТЬ АДЕНИЛАТЦИКЛАЗЫ. ОДНАКО С ТЕЧЕНИЕМ ВРЕМЕНИ АКТИВНОСТЬ АДЕНИЛАТЦИКЛАЗЫ ПОСТЕПЕННО УМЕНЬШАЕТСЯ. ЭТО ОБУСЛОВЛЕНО
1) АТФ – азной активностью Gs – белка
2) ГТФ – азной активностью β-субъединицы Gs – белка
3) Фосфолипазной активность Gs – белка
4) АТФ – азной активностью γ Gs – белка
5) ГТФ – азной активностью α-субъединицы Gs – белка
Ответы к тестовым заданиям.
1.-5);2.-3);3.-2);4.-5);5.-2);6.-4)7.-5);8.-1);9.-5);10.-4);11.-5);12.-4);13.-4);14.-4);15.-5).
Примеры ситуационных задач.
Задача 1.Важное свойство мембран – способность воспринимать и передавать внутрь клетки сигналы из внешней среды. Около 80% первичных мессенджеров (гормоны, нейротрансмиттеры) взаимодействуют со специфическими рецепторами, которые связаны с эффекторами через G-белки. Последние участвуют в разных трансмембранных системах передачи сигнала. Объясните роль G-белков в этих процессах.
Для этого:
а) опишите структурную организацию G-белков;
б) подумайте, какие специфические центры должна иметь каждая α-субъединица в аденилатциклазной системе;
в) напишите схему передачи сигнала от мембранного рецептора через G-белок на фермент аденилатциклазу;
г) разъясните, как усиливается сигнал при работе аденилатциклазной системы;
д) объясните, почему G-белки называют «внутренние часы клетки».
ОТВЕТ:
а) G-белки локализованы на внутренней поверхности плазматической мембраны, имеют гетеротримерную структуру. Они состоят из большой α-субъединицы , а также меньших β- и γ-субъединиц. α-субъединица обладает ГТФ-азной активностью, в неактивной (выключенной) форме она связывает молекулу ГДФ на активном сайте. Субъединицы β и γ
Рисунок 39. Структура G-белков
связаны между собой и в физиологических условиях не могут быть диссоциированы. В неактивном состоянии βγ-комплекс непрочно связан с α-субъединицей. γ-Субъединица связана с мембраной геранилгераниловой цепью, близкой по структуре к холестерину, а α-субъединица ‒ с помощью миристиновой кислоты. Такие связи обеспечивают удержание комплекса G-белка в плоскости мембраны и способность легко двигаться в этой плоскости.
б) Необходимы центры для:
• связывания ГТФ или ГДФ;
• взаимодействия с рецептором;
• связывания с βγ-субъединицами;
• взаимодействия с ферментом аденилатциклазой.
в)
Рисунок 40.Аденилатциклазная система
г) Каскадный механизм. Одна молекула гормона, активирующая рецептор, может «включать» несколько G-белков, затем каждый активирует несколько молекул аденилатциклаз с образованием тысяч молекул цАМФ и т.д. Таким образом, по механизму каскадного усиления одна молекула гормона способна изменить активность нескольких тысяч молекул.
д) Конформационные изменения в комплексе {α-ГТФ}-{АЦ} стимулируют повышение ГТФ-фосфатазной активности α-субъединицы. Протекает реакция дефосфорилирования ГТФ, и один из продуктов
Рисунок 41. Дефосфорилирование ГТФ
реакции, неорганический фосфат (Рi), отделяется от α-субъединицы, а комплекс α-ГДФ сохраняется. Образование в активном центре α-субъединицы молекулы ГДФ снижает его сродство к аденилатциклазе, но увеличивает сродство к βγ-субъединицам. G-белок возвращается к неактивной форме. Таким образом, скорость гидролиза ГТФ определяет время, в течение которого система находится в активном состоянии.
Задача 2.При эфирном наркозе возбуждаются симпатические центры, адреналин из мозгового слоя надпочечников поступает в кровь. Почему такой наркоз может ухудшить состояние пациентов, страдающих заболеваниями, сопровождающимися увеличением уровня глюкозы в крови? А еще диэтиловый эфир часто уменьшает сократительную способность сердца за счет прямого депрессивного действия на миокард. Увеличивает секрецию слюнных и бронхиальных желез, может провоцировать развитие ларинго- и бронхиолоспазма, стойкое угнетение дыхание и апноэ. Угнетает перистальтику кишечника. Эти, и многие другие недостатки привели к тому, что эфир для наркоза в настоящее время не используется
Для этого:
а) назовите норму глюкозы в крови;
б) укажите источники глюкозы в крови;
в) объясните механизм действия адреналина в той ткани, которая обеспечивает сохранение нормального уровня глюкозы в крови при стрессе и кратковременном голодании (не более суток);
г) представьте схему метаболического пути, ускорение которого приведет к повышению уровня глюкозы в крови у пациентов при использовании такого наркоза.
ОТВЕТ:
а) Концентрация глюкозы в крови в норме поддерживается на уровне
3,3–5,5 ммоль/л (60–100 мг/дл).
б) Пища, содержащая углеводы; мобилизация гликогена в печени; глюконеогенез в печени из лактата, глицерола, аминокислот.
в) В печени адреналин может передавать сигнал через α1- и β2-адренорецепторы.
Рисунок 42.Передача гормонального сигнала через β2-адренорецептор и аденилатциклазную систему в печени
Рисунок 43. Передача гормонального сигнала через α1-адренорецептор и инозитолфосфатную систему в печени
г)
Рисунок 44. Распад гликогена
Таким образом, эфирный наркоз, увеличивая секрецию адреналина и, соответственно, мобилизацию гликогена, повышает уровень глюкозы в крови у пациентов.
Задача 4.В послеродовом отделении обследован ребенок с признаками застойной сердечной недостаточности. У младенца наблюдались тахипноэ (более 60 дыхательных движений в минуту) и тахикардия (более 180 ударов в минуту). Причиной данной сердечной недостаточности явилось такое заболевание, как незаращение артериального (боталлова) протока.
В течение внутриутробного периода сохранность открытого просвета артериального протока поддерживает PGE2. После рождения просвет артериального протока в норме зарастает или значительно уменьшается. В данной ситуации этого не произошло, потому что у ребенка в сердечной ткани была повышена секреция PGE2. Врач назначил лечение индометацином и получил положительный эффект: состояние больного улучшилось, симптомы заболевания уменьшились, боталлов проток стал уменьшаться в размерах.
Объясните молекулярные механизмы действия PGE2 и лечебного эффекта индометацина в данном клиническом случае.
Для этого:
а) назовите группу регуляторных молекул, к которой относятся простагландины;
б) укажите примеры исходных субстратов для их синтеза;
в) изложите, через какие трансмембранные системы передачи сигналов эйкозаноиды действуют на клетки-мишени и напишите схему одной из них;
г) назовите основные функции и место действия PGE2;
д) объясните, как можно ускорить процесс закрытия просвета артериального протока с помощью индометацина, относящегося к классу нестероидных противовоспалительных средств. На схеме синтеза простагландинов покажите фермент, активность которого подавляется индометацином.
ОТВЕТ:
а) Эйкозаноиды.
б) Субстратами для синтеза эйкозаноидов будут служить полиненасыщенные жирные кислоты с 20 углеродными атомами, такие, как:
в) Эйкозаноиды действуют на клетки-мишени с помощью модуляции аденилатциклазной, гуанилатциклазной и инозитолфосфатной систем.
Рисунок 45. Инозитолфосфатная система
г) PGE2 действуют на большинство тканей. Основными биологическими эффектами следует считать инициацию родовой активности, ингибирование агрегации тромбоцитов, расширение сосудов, расслабление гладкой мускулатуры. В данном клиническом случае высокая концентрация PGE2 в сердечной ткани благодаря своим свойствам не позволяет зарасти артериальному протоку, что должно произойти в норме. Для того чтобы ускорить процесс закрытия протока, необходимо ингибировать синтез PGE2.
д) Для того чтобы уменьшить синтез PGE2, нужно ингибировать регуляторный фермент синтеза эйкозаноидов – циклооксигеназу с помощью индометацина, что должно привести к зарастанию боталлова протока.
Рисунок 46. Блокировка синтеза простагландинов из арахидоновй кислоты
Гормоны белковой природы
Гормоны белковой природы и производные аминокислот – две большие группы регуляторных молекул, которые имеют, в отличие от стероидных гормонов, принципиально иной механизм взаимодействия с рецепторами, а значит и влияния на изменения метаболического фона в клетках-мишенях. Все они, за исключением гормонов щитовидной железы, работают по опосредованному механизму. Для гормонов щитовидной железы характерен непосредственный механизм действия. Гормоны – белки и производные аминокислот оказывают существенное разноплановое влияние на метаболические процессы, протекающие в клетке, участвуя в поддержании гомеостаза. Вопросы, рассматриваемые на данном занятии важны для понимания метаболических изменений и лабораторной диагностики заболеваний, связанных с нарушениями функции желез внутренней секреции, и других патологических состояний.
Методические указания к самоподготовке
Вопросы раздела
1. Опосредованные механизмы передачи гормональных сигналов в клетки. Мессенджеры второго порядка, их влияние на метаболический фон в клетке
2. Строение, биосинтез, биологическое действие гормонов гипоталамуса (либерины, статины), гипофиза (гормоны аденогипофиза и нейрогипофиза).
3. Нарушения функций гипоталамо-гипофизарной системы
4. Гормоны щитовидной железы. Биосинтез. Транспорт и метаболизм. Регуляция синтеза и секреции йодтиронинов. Механизмы отрицательной обратной связи
5. Механизм действия и биологические функции йодтиронинов. Метаболические влияния.
6. Заболевания щитовидной железы
7. Гормоны мозгового слоя надпочечников. Синтез и секреция катехоламинов. Механизм действия и биологические функции. Метаболические влияния.
8. Патология мозгового вещества надпочечников
Для успешного усвоения темы выполните следующие задания согласно таблице 23.
Таблица 23. Гормоны белковой природы
| Задание | Методические указания к выполнению задания |
| Рассмотрите опосредованные механизмы передачи гормонального сигнала | Дайте определение опосредованным механизмам передачи гормональных сигналов в клетки. Что такое мессенджеры второго порядка, каково их влияние на метаболический фон в клетке |
| Изучите гормоны гипоталамуса и гипофиза. | 1. Объясните, почему гипоталамус выполняет роль вегетативного центра нервно-рефлекторной и эндокринной регуляции обмена веществ. 2. Охарактеризуйте структуру и роль гормонов гипоталамуса: релизинг-гормонов, статинов и нейрогормонов (вазопрессина, окситоцита) 3. Почему вазопрессин получил название «антидиуретический гормон»? Каковы причины и проявления несахарного диабета? 4. Разберите структуру и биологическую роль соматотропина, фолликустимулирующего гормона, лютеинизирующего гормона, пролактита, тиротропина, кортикотропина. 5. Охарактеризуйте основы автономной саморегуляции систем – гипоталамо-гипофизарно-гонадной, гипоталамо-гипофизарно-тиреоидной и гипоталамо-гипофизарно-кортикоидной оси. |
| Изучите йодированные гормоны щитовидной железы. | 1. Напишите основные этапы биосинтеза йодированных гормонов щитовидной железы. 2. Отметьте особенности транспорта в крови и взаимодействия с рецепторами тироксина и трийодтиронина. 3. Рассмотрите основные физиологические эффекты тиреоидных гормонов, влияние на энергетический обмен, обмен углеводов, липидов и белков. 4. Охарактеризуйте заболевания, связанные с гипер- и гипопродукцией тироксина и трийодтиронина. |
| Изучите пептидные гормоны, регулирующие кальций-фосфорный обмен. | 1. Опишите структуру и метаболические функции в костной ткани, почках и тонком кишечнике кальцитонина щитовидной железы. 2. Опишите структуру и влияние на кальций-фосфорный обмен паратгормона. |
| Изучите инсулин поджелудочной железы. | 1. Охарактеризуйте особенности структуры и биосинтеза инсулина. Перечислите стимулы, регулирующие инкрецию инсулина. 2. Обратите внимание на рецептор инсулина, обладающего каталитической активностью. 3. Отметьте влияние инсулина на ключевые регуляторные ферменты гликолиза, гликогенеза, апотомического окисления, цикла трикарбоновых кислот, липогенеза, трансляции белка. 4. Выпишите схему молекулярного механизма внутриклеточной передачи гормонального сигнала инсулина. |
| Изучите нарушения обмена веществ при сахарном диабете. | 1. Перечислите формы сахарного диабета. Чем они отличаются? 2. Выпишите основные биохимические проявления сахарного диабета: а) б) в) и т.д. 3. Объясните, почему при сахарном диабете нарушается использование глюкозы крови. Укажите ферментативные блоки гликолиза, гликогенеза, пентозофосфатного окисления. 4. Ответьте, почему при сахарном диабете снижается интенсивность цикла трикарбоновых кислот, усиливается глюконеогенез. 5. Напишите реакцию гликозилирования белков при сахарном диабете. 6. Изучите причины, механизмы и последствия усиления при сахарном диабете липолиза и β-окисления жирных кислот. 7. Каковы нарушения использования ацетил-КоА при сахарном диабете? Объясните причину кетонемии и кетонурии при сахарном диабете. 8. Объясните, почему недостаточность инсулина приводит к нарушению биосинтеза нуклеиновых кислот и белка, к усилению протеолиза тканевых белков и катаболизма аминокислот. 9. Дайте определение понятиям «сахарная кривая», почечный «сахарный порог». |
| Изучите структуру и влияние на обмен веществ глюкогона. | 1. Опишите структуру и метаболическое влияние глюкогона на обмен углеводов и нейтрального жира. 2. Представьте схему внутриклеточного механизма передачи гормонального сигнала глюкогона на обмен гликогена и нейтрального жира. |
| Изучите гормоны мозгового слоя надпочечников. | 1. Напишите химизм реакций биосинтеза норадреналина и адреналина из тирозина. 2. Перечислите физиологические эффекты адреналина и норадреналина: а) 1) б) 2) в) и др. 3) и т.д. 3. Перечислите биохимические эффекты адреналина в печени, мышечной ткани и жировой ткани. 4. Представьте схему аденилатциклазного пути мобилизации гликогена и нейтрального жира при взаимодействии адреналина с β-рецепторами. |
| Изучите пептидные гормоны, регулирующие кальций-фосфорный обмен. | 3. Опишите структуру и метаболические функции в костной ткани, почках и тонком кишечнике кальцитонина щитовидной железы. 4. Опишите структуру и влияние на кальций-фосфорный обмен паратгормона. |
Примеры заданий для контроля исходного уровня знаний
Выберите несколько ответов
1. АНДРЕНАЛИН И НОРАДРЕНАЛИН
1) Синтезируются в мозговом слое надпочечников;
2) Проявляют эффекты в клетках-мишенях через взаимодействие с рецепторами;
3) Передают сигналы в клетках-мишенях с помощью аденилатциклазной системы вторичных посредников;
4) Стимулируют процессы гликогенеза в печени и липогенеза в адипоцитах;
5) Синтезируются в корковом слое надпочечников;
6) Изменяют активность ключевых регуляторных ферментов путем фосфорилирования.
Выберите один ответ
2. ПОСЛЕ ПРИЕМА УГЛЕВОДИСТОЙ ПИЩИ ДЕПОНИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА СТИМУЛИРУЕТ
1) Глюкогон
2) Адреналин
3) Тироксин
4) Инсулин
Выберите несколько ответов
3. УКАЗАННЫЕ ГОРМОНЫ ОБЕСПЕЧИВАЮТ ИЗМЕНЕНИЯ В ТКАНЯХ-МИШЕНЯХ: А. АДРЕНАЛИН Б. ИНСУЛИН В. ТИРОКСИН Г. ГЛЮКОГОН Д. НОРАДРЕНАЛИН
1) Стимулирует распад гликогена.
2) Стимулирует глюконеогенез.
3) Усиливает катаболизм триглицеридов.
4) Увеличивает скорость поступления
глюкозы в мышцы и жировую ткань.
5) Стимулирует липогенез в жировой ткани.
4.ПАТОЛОГИИ: А. ХАРАКТЕРНО ДЛЯ САХАРНОГО ДИАБЕТА Б. ХАРАКТЕРНО ДЛЯ НЕСАХАРНОГО ДИАБЕТА В. ХАРАКТЕРНО ДЛЯ ОБОИХ ЗАБОЛЕВАНИЙ Г. НЕ ХАРАКТЕРНО НИ ДЛЯ ОДНОГО ИЗ ЗАБОЛЕВАНИЙ
1) Гипергликемия
2) Полиурия
3) Кетонемия
4) Ацидоз
5. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ СОБЫТИЙ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ГОРМОНАЛЬНОГО СИГНАЛА В КЛЕТКИ ЖИРОВОЙ ТКАНИ ПРИ ДЕЙСТВИИ ГЛЮКОГОНА
1) Взаимодействие гормона со специфическим рецептором
2) Активация протеинкиназы
3) Активация G-белка
4) Образование цАМФ
5) Активация аденилатциклазы
6) Гидролиз триацилглицеринов
7) Фосфорилирование ТАГ-липазы.
6. СОБЫТИЯ ПРИ СИНТЕЗЕ И СЕКРЕЦИИ ТИРЕОИДНЫХ ГОРМОНОВ
1) Йодирование остатков тирозина в тиреоглобулине.
2) Синтез три- и тетрайодтиронинов путем объединения двух йодированных молекул тирозина.
3) Поступление йодида в эпителиальные клетки фолликул.
4) Связывание йодтиронинов с тироксинсвязывающим белком плазмы крови.
5) Захват и гидролиз йодтиреоглобулина эпителиальными клетками фолликул.
6) Поступление йодтиронинов в клетки-мишени.
Эталоны ответов на задания
1.-1), 2), 3), 6). 2.-4)
3.- 1)-А, Г; 3)-А, В, Г, Д; 4)-Б; 5)-Б.
4. 1-А; 2-В; 3-А; 4-А; 5-А.
5. 1)→3)→5)→4)→2)→7)→6)
6. 3)→1)→2)→5)→4)→6)
Примеры ситуационных задач
Задача 1.Суточный объем мочи у пациента, жалующегося на сухость во рту, постоянную жажду и частое мочеиспускание, 4,5 литра, относительная плотность 1.004 (при норме 1,018 и более), глюкоза, белок и кетоновые тела в моче не обнаружены. Какому заболеванию могут соответствовать результаты анализов? Для обоснования ответа:
а) назовите гормон, синтез и секреция которого нарушена в этом случае;
б) назовите ткани-мишени, на которые действует этот гормон.
Ответ. Несахарный диабет. Вазапрессин (антидиуретический гормон). Почки, мышечный слой артериол.
Задача 2.Существует выражение: «сахарный диабет это голод среди изобилия». Объясните сущность этого выражения. Для обоснования ответа укажите:
а) в каких тканях при сахарном диабете протекает метаболизм по типу голодания на фоне гипергликемии;
б) какие метаболические пути активируются и тормозятся в этих тканях;
в) какие биохимические «симптомы» сахарного диабета отражают эти изменения метаболизма.
Ответ.При сахарном диабете содержание глюкозы в крови резко повышено, однако инсулинзависимые ткани страдают от недостаточности в клетках глюкозы. Это мышечная, жировая ткань, печень. В этих тканях активируется липолиз и катаболизм аминокислот, в печени, кроме того, активируются глюконеогенез, биосинтез кетоновых тел. Эти изменения отражают следующие «симптомы» сахарного диабета: гипергликемию, глюкозурию, кетонемию, кетонурию, ацидоз, азотемию, азотурию.
Задача 3.Врач предписал больному, у которого наблюдались начальные симптомы развития сахарного диабета II- го типа, регулярные физические нагрузки. Это назначение основано на результатах исследований последних лет, которые показали, что такие нагрузки увеличивают количество белков ГЛЮТ-4 в клетках инсулинозависимых тканей, стимулируя экспрессию гена ГЛЮТ-4. В результате захват глюкозы этими клетками увеличивается в 7 раз, (исследования показали, что физические нагрузки оказывают такой же конечный эффект на клетки инсулинозависимых тканей, как и действие инсулина).
Объясните молекулярные механизмы действия инсулина у здоровых людей, влияние физических нагрузок на уменьшение симптомов сахарного диабета II-го типа и замедление развития его осложнений.
Для этого:
а) назовите инсулинозависимые ткани и объясните, почему они так называются;
б) объясните, что такое ГЛЮТ-4 и какова его функция; опишите роль инсулина в активации этих белков;
в) изобразите общую схему регуляции экспрессии гена эукариот;
г) объясните, как инсулин может повлиять на скорость экспрессии генов.
Ответ.
а) К инсулинозависимым тканям относятся мышечная и жировая ткани. Инсулинозависимые ткани – те, в которых белки-переносчики глюкозы через мембраны внутрь клеток – ГЛЮТ-4.
б) Существует 5 типов ГЛЮТов, которые локализованы в разных тканях. ГЛЮТ-4 – главный переносчик глюкозы в клетки мышц и жировой ткани. ГЛЮТ-4 в отсутствии инсулина находится в цитозоле клеток, но при его действии на рецепторы клеток ГЛЮТ-4 встраиваются в мембраны и начинают переносить глюкозу внутрь клеток, таким образом инсулин активирует ГЛЮТ-4. Биологическая роль этого типа ГЛЮТов заключается в том, что инсулинозависимые ткани захватывают глюкозу только в абсорбтивном периоде.
в)
Рисунок 47.Регуляция экспрессии генов у эукариот
г) Гормоны действуют как индукторы или корепресоры на регуляторную область генов, влияя тем самым на скорость транскрипции и, следовательно, трансляции белков. Инсулин и, как оказалось, физические нагрузки через неизвестные пока молекулярные механизмы, вызывают индукцию синтеза ГЛЮТ-4. Инсулин влияет на ген сложным путем, через каскад реакций фосфорилирования белков (см. рис. 27), но конечный ответ клетки выражается увеличением синтеза ГЛЮТ-4 и скорости их встраивания в мембраны клеток.
Физические нагрузки также индуцируют синтез ГЛЮТ-4, что увеличивает их количество в клетках. Захват глюкозы клетками инсулинозависимых тканей усиливается, понижается концентрация глюкозы в крови. В результате снижается риск развития осложнений сах