Тема 7. Витамины. Гормоны (1 час)

Цели:

1. ознакомление с особенностями строения, химическими и биологическими свойствами витаминов, гормонов

2. готовностью использовать основные методы защиты от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий (ОК-11) профиль подготовки: Физическая культура. Безопасность жизнедеятельности (очная и заочная форма обучения);

3. способностью использовать возможности образовательной среды для формирования универсальных видов учебной деятельности и обеспечения качества учебно-воспитательного процесса (ПК-5) профиль подготовки: Физическая культура. Безопасность жизнедеятельности (очная и заочная форма обучения).

Содержание: Витамины, их роль в регуляции биохимических процессов, участие в образовании простетических групп ферментов. Классификация витаминов. Жирорастворимые витамины, их строение, функции, пищевые источники, суточная потребность. Представители: А, D, Е, К, ретинол, кальциферол. Водорастворимые витамины, их строение, функции, пищевые источники, суточная потребность. Представители: В₁ (тиамин), В₂ (рибофлавин), В₃ (пантотеновая кислота), В₆ (пиридоксин), РР (никотиновая кислота), Р (рутин). Взаимообусловленность действия витаминов С и Р. Коферментная функция витаминов. Авитаминозы, гиповитаминозы, гипервитаминозы. Гормоны. Общее представление о гормонах как регуляторах биохимических процессов, образующихся в железах внутренней секреции. Химическая природа гормонов. Гормоны-белки, стероидные гормоны. Функции важнейших гормонов в организме. Влияние гормонов на биохимические процессы: на изменение активности ферментов, регуляцию белкового синтеза, на проницаемость клеточных мембран. Биохимическая сущность антагонизма и синергизма действия гормонов.

Гормоны. Классификация гормонов. Иерархия гормональной регуляции. Гормоны гипоталамуса. Рилизингфакторы (либерины и статины), их регуляторные функции. Гипофиз, тропные гормоны, их значение в регуляции функций периферических желёз. Нейрогормоны – окситоцин, вазопрессин, их биологическое действие.

Молекулярные механизмы регуляции обмена веществ и функции белково-пептидных и стероидных гормонов. Синтез и секреция гормонов. Механизмы регуляции, обеспечиваемые отдельными гормонами или их группами.

Строение, биосинтез и регуляция секреции инсулина, глюкагона, адреналина. Молекулярный механизм действия и роль этих гормонов в регуляции обмена углеводов, липидов, аминокислот.

Регуляция водно-солевого обмена. Строение и функции альдостерона и вазопрессина. Система ренин-ангиотензин-альдостерон.

Роль гормонов в регуляции обмена кальция и фосфора (паратгормон, кальцитонин, кальцитриол). Строение, биосинтез, механизм действия кальцитриола. Гормоны коры надпочечников – глюкокортикоиды и минералокортикоиды (кортизол, кортикостерон, альдостерон), строение, влияние на обмен веществ. Гормоны половых желёз. Андрогены, эстрогены, их биологическая роль. Тироксин. Строение, биосинтез. Молекулярный механизм действия тироксина. Важнейшие представители гормоноидов. Простагландины, их биологическая роль.

При освоении темы необходимо:

ответить на контрольные вопросы: см. Фонд оценочных средств. Изучить термины. Обратить внимание на потребности в витаминах в зависимости от видов спортивной нагрузки, нормы потребления, продукты.

Витамины — это низкомолекулярные органические вещества, необходимые для нормального течения биохимических и физиологических процессов в организме. Они обладают высокой биологической активностью и оказывают свое действие, будучи в ничтожно малых количествах.

Необходимость для организма человека и животных высокоактивных «дополнительных факторов питания» была впервые ус­тановлена Н. И. Луниным в 1880 г., а позднее, в 1896 г., подтвер­ждена голландским врачом К. Эйкманом.

Однако первое из веществ этой группы было выделено в кри­сталлическом виде лишь в 1911 г. польским биохимиком К. Функом. Это вещество, оказавшееся впоследствии смесью различных веществ, содержало азот и было названо «витамином», т. е. амином, необходимым для жизни. Хотя дальнейшие исследования показали, что многие витамины не являются аминами и даже не содержат азота, предложенный Функом термин «витамины» со­хранился в науке. Развитие науки о витаминах — витаминологии — привело к открытию множества новых витаминов, позволило выяснить их химическую природу и свойства, а также роль в организме. Сейчас витамины получают не только из природных пищевых продуктов, но и путем химического синтеза.

Витамины, как правило, не могут быть синтезированы в ор­ганизме человека и должны поступать с пищей. Правда, некото­рые из них могут образовываться в организме из провита­минов, но для этого нужны специальные условия (наличие их пище достаточных количеств провитамина — каротина—для синтеза витамина А, воздействие на кожу ультрафиолетовых лучей — для синтеза витамина D). Отсутствие или недостаток витаминов в пище приводит к нарушениям обмена веществ, ха­рактерным для каждого витамина и проявляющимся в виде за­болеваний, называемых авитаминозами (при полном от­сутствии того или иного витамина) или гиповитаминозами (при недостаточном поступлении его в организм). К числу таких заболеваний относятся цинга, рахит, пеллагра и ряд других.

Авитаминозы и гиповитаминозы могут возникнуть не только из-за отсутствия или недостаточного поступления витаминов с пищей, но и при нарушении всасывания их в желудочно-кишечном тракте; под влиянием сульфаниламидов и антибиотиков, которые обладают антивитаминным действием или угнетают жизнедеятельность обитающих в кишечнике микроорганизмов, способных вырабатывать некоторые витамины.

При чрезмерном поступлении в организм некоторых витаминов возможно отравление ими (гипервитаминозы).

Номенклатура и.классификация витаминов

В настоящее время известно более 30 витаминов. Их принято обозначать буквами латинского алфавита. Кроме того, витамины имеют названия, соответствующие их химической природе или основанные на их физиологическом действии (например, витамин С — аскорбиновая кислота, или противоцинготный витамин; витамин B₁ — тиамин, аневрин, или противоневритический витамин, и т. д.).

Все витамины по их растворимости делятся на две большие группы: растворимые в жирах и растворимые в воде. Жирорастворимые витамины:

витамины группы А (антиксерофтальмические),

витамины группы D (антирахитические),

витамины группы Е (токоферолы),

витамины группы К (антигеморрагические), водорастворимые витамины:

витамин С (аскорбиновая кислота),

витамин Р (витамин проницаемости),

витамин B₁ (тиамин, аневрин),

витамин В₂ (рибофлавин),

витамин РР (никотинамид, антипеллагрический),

витамин Вб (пиридоксин, антидерматитный),

витамин B ₁₂ (антианемический),

витамин B₁₃ (пангамовая кислота), пара-аминобензойная кислота (ПАБК), фолиевая кислота (антианемический витамин), пантотеновая кислота, биотин.

Кроме этих витаминов, есть еще и другие (Вз, В₄, B₅ и т. д.).

ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О ГОРМОНАХ

Гормоны относятся к биологически активным веществам, определяющим в из­вестной степени состояние физиологических функций целостного организма, макро-и микроструктуру органов и тканей и скорость протекания биохимических процес­сов. Таким образом, гормоны — вещества органической природы, вырабатываю­щиеся в специализированных клетках желез внутренней секреции, поступающие в кровь и оказывающие регулирующее влияние на обмен веществ и физиологические функции. В это определение необходимо внести соответствующие коррективы в связи с обнаружением типичных гормонов млекопитающих у одноклеточных (например, инсулина у микроорганизмов) или возможностью синтеза гормонов соматическими клетками в культуре ткани (например, лимфоцитами, под действием факторов роста).

Одной из удивительных особенностей живых организмов является их способ­ность сохранять постоянство гомеостаза при помощи механизмов саморегуляции, в осуществлении (координации) которых одно из главных мест принадлежит гормонам. У высших животных координированное протекание всех биологических процессов не только в целостном организме, но и в микропространстве отдельной клетки и даже в отдельном субклеточном образовании (митохондрии, микросомы) определяется нейрогуморальными механизмами, сложившимися в процессе эволюции. При помощи этих механизмов организм воспринимает разнообразные изменения окружающей и внутренней среды, тонко регулируя интенсивность процессов обмена. В регуляции этих процессов, в осуществлении последовательности протекания множества реакций гормоны занимают промежуточное звено между нервной системой и действием ферментов, которые непосредственно регулируют скорость обмена веществ. Гормоны вызывают либо быструю (срочную) ответную реакцию, повышая активность имеющихся в тканях ферментов, либо, что более характерно, например для стероидных гормонов, медленную реакцию, связанную с синтезом ферментов de novo. Получены доказательства, что стероидные гормоны оказывают влияние на генетический аппарат клетки, вызывая синтез соответствующей мРНК, которая, поступив в рибосому, служит матрицей для синтеза молекулы фермента. Предполагается, что и другие гормоны (имеющие белковую природу) опосредованно через фосфорилирование негистоновых белков могут оказывать влияние на гены, контролируя тем самым скорость синтеза соответствующих ферментов. Таким образом, любые нарушения синтеза или распада гормонов, вызванные разнообразными причинными факторами, включая заболевания эндокринных желез (состояния гипо- или гиперфункции), приводят к изменению нормального синтеза ферментов и соответственно к нарушению метаболизма.

Зарождение науки об эндокринных железах и гормонах относится к 1855 г., когда Т. Аддисон впервые описал бронзовую болезнь, связанную с поражением надпочечников и сопровождающуюся специфической пигментацией кожных покровов. Клод Бернар ввел понятие о железах внутренней секреции, т. е. органах, выделяющих свой секрет непосредственно в кровь. Позже Ш. Броун-Секар показал, что недостаточ­ность действия желез внутренней секреции приводит к развитию болезней и что экстракты, полученные из этих желез, оказывают хороший лечебный эффект. В настоящее время имеются бесспорные доказательства, что почти все заболевания желез внутренней секреции (тиреотоксикоз, сахарный диабет и др.) развиваются как резуль­тат нарушения молекулярных механизмов регуляции процессов обмена, вызванных недостаточным или, наоборот, избыточным синтезом соответствующих гормонов в организме человека.

Термин «гормон» (от греч. hormao — возбуждаю, побуждаю) был введен в 1905 г. У. Бейлиссом и Э. Старлингом при изучении открытого ими в 1902 г. гормона секретина, вырабатывающегося в двенадцатиперстной кишке и стимулирующего выработку сока поджелудочной железы и отделение желчи. К настоящему времени открыто более сотни различных веществ, наделенных гормональной активностью, синтезирующихся в железах внутренней секреции и регулирующих процессы обмена веществ. Специфические особенности биологического действия гормонов можно выразить следующими положениями: а) гормоны оказывают биологическое действие в ничтожно малых концентрациях (от 10^-6 до 10^{-12 М); б) гормональный эффект реализуется через белковые рецепторы и внутриклеточные вторичные посредники (мессенджеры); в) не являясь ни ферментами, ни коферментами, гормоны в то же время осуществляют свое действие путем увеличения скорости синтеза ферментов} de novo или путем изменения скорости ферментативного катализа; г) действие гормонов в целостном организме определяется в известной степени контролирующим влиянием ЦНС; д) железы внутренней секреции и продуцируемые ими гормоны составляют единую систему, тесно связанную при помощи механизмов прямой и обратной связи.

Под влиянием разнообразных внешних и внутренних раздражителей возникают импульсы в специализированных весьма чувствительных рецепторах. Импульсы затем поступают в ЦНС, оттуда в гипоталамус, где синтезируются первые биологи­чески активные гормональные вещества, обладающие «дистантным» действием и назы­ваемые рилизинг-факторами. Особенностью рилизинг-факторов является то, что они не поступают в общий ток крови, а через портальную систему сосудов достигают специфических клеток гипофиза, оказывая стимулирующее (или тормозящее) действие на биосинтез и выделение тропных гормонов гипофиза, которые с током крови приносятся в соответствующую эндокринную железу, стимулируя выработку необходи­мого гормона. Этот гормон затем оказывает действие на органы и ткани, вызывая соответствующие химические и физиологические ответные реакции целостного организ­ма. Наименее изученным до недавнего времени оставался последний этап этой своеобразной дуги — действие гормонов на внутриклеточный обмен. В настоящее время получены доказательства, что это действие осуществляется через так назы­ваемые гормональные рецепторы, под которыми понимаются химические структуры соответствующих тканей-мишеней, содержащие высокоспецифические участки (углеводные фрагменты гликопротеинов и ганглиозидов) для связывания гормонов; резуль­татом подобного связывания является инициация рецепторами специфических био­химических реакций, обеспечивающих реализацию конечного эффекта соответствую­щего гормона. Рецепторы гормонов белковой и пептидной природы расположены на наружной поверхности клетки (на плазматической мембране), в то время как рецепторы гормонов стероидной природы локализованы в цитоплазме и ядре. Общим признаком всех рецепторов независимо от локализации является наличие строгого пространственного и структурного соответствия между рецептором и соответствующим гормоном.

В понимании механизма биологического действия большинства гормонов белко­вой природы решающую роль сыграли исследования Э. Сазерленда и открытие циклического эфира аденозинмонофосфата, сокращенно обозначаемого 3',5'-цАМФ (или цАМФ); последний служит вторичным посредником в реализации гормонального эффекта внутри клетки-мишени. Существенная особенность гипотезы вторичного посред­ника (первичным считается сам гормон) заключается в допущении, что гормон не проникает в клетку и что его действие ограничивается взаимодействием на мембране со специфическим рецептором, вызывая активирование мембранносвязанного фермента — аденилатциклазы, которая катализирует образование цАМФ, и тем самым изменение скорости внутриклеточных процессов (образование цАМФ см. главу 3). Однако конкретный механизм активирования аденилатциклазы после образования гормон-рецепторного комплекса неясен. Известно только, что одна моле­кула связанного с рецептором гормона приводит к образованию около 500 молекул цАМФ (в покое концентрация цАМФ в клетке незначительна и составляет от 10^-7 до 10^{-6 М). В свою очередь цАМФ реализует свой эффект через внутриклеточный фермент — протеинкиназу, которая может существовать в двух формах. В отсутствие цАМФ протеинкиназа представлена в виде комплекса, состоящего из двух каталити­ческих (С}₂) и двух регуляторных (R₂) субъединиц, с молекулярными массами 49000 и 38000 Да соответственно; в этой форме фермент не активен. В присутствии цАМФ протеинкиназный комплекс обратимо диссоциирует на одну R₂-субъединицу и две свободные каталитические субъединицы; последние обладают ферментативной активностью, фосфорилируя и соответственно изменяя активность других белков-ферментов.

Получены доказательства, что информация от рецептора гормона на аденилатциклазу переносится через особый регуляторный G-белок (он связывает гуаниннуклеотиды), встроен- У ный в мембрану. Этот белок существует в двух формах: в комплексе с ГТФ он оказывает активирующее действие на аденилатциклазу; в комплексе с ГДФ, напротив,— ингиби-рующий эффект, причем сам белок наделен ГТФазной активностью. Активирование аденил­атциклазы в ряде клеток требует не только присутствия G-белка в ГТФ-форме, но и наличия комплекса ионов Са²⁺ с Са-связывающим белком, называемым кальмодулином (моле­кулярная масса 17000 Да). С другой стороны, концентрация цАМФ контролируется фосфо-диэстеразой, катализирующей гидролитический распад цАМФ до свободного и неактивного АМФ. В свою очередь активность фосфодиэстеразы определяется комплексом ионов Са²⁺ с кальмодулином. Учитывая эти данные, а также тот факт, что ионы Са²⁺ в цитоплазме контролируют множество функций клеток, они рассматриваются наряду с цАМФ как вторичные посредники.

Относительно общего механизма действия стероидных гормонов имеющиеся дан­ные свидетельствуют о том, что их эффект реализуется через специфические цито-плазматические рецепторы — белки (с константой седиментации от 4S до 8S); стероид-белковые комплексы подвергаются далее транслокации при помощи специальных транспортных белков в клеточное ядро и связываются с хроматином (хроматин-связывающий центр включает, помимо ДНК, негистоновые белки). Изменяя экспрес­сию генов ДНК, эти ядерно-стероидные комплексы оказывают влияние на синтез специфической мРНК; синтез новой или дополнительной молекулы мРНК сопро­вождается индукцией синтеза соответствующего белка de novo.

Таким образом, главное отличие в механизме действия двух классов гормонов (см. ниже классификацию) заключается в том, что действие пептидных гормонов и производных аминокислот в основном направлено на постсинтетические (посттрансля­ционные) события в клетках, в то время как стероидные гормоны (и возможно инсулин и тироксин) действуют на геном, изменяя транскрипцию генов. Это обоб­щение, однако, не является абсолютным и здесь возможны разные модификации, описанные ниже при рассмотрении отдельных гормонов.