БИОХИМИЯ СТЕРОИДНЫХ ГОРМОНОВ Презентация слайдов к лекции к.б.н. Валерия Геннадьевича Зайцева (каф. теоретической биохимии с курсом клинической биохимии ВолГМУ) Волгоградский государственный медицинский университет Медико-биологический факультет, III курс Биохимия человека © 2007, В.Г.Зайцев

План лекции Введение Стероидные гормоны – строение, номенклатура и классификация Общий обзор путей биосинтеза стероидных гормонов Ферменты, вовлечённые в биосинтез Пути биосинтеза отдельных гормонов и их регуляция Стероидные гормоны в крови Механизм действия / взаимодействие с клетками- мишенями Инактивация и катаболизм стероидных гормонов © 2007, В.Г.Зайцев

Особенности стероидных гормонов Общность происхождения (предшественник – холестерин) Жирорастворимые, потому легко проникают через мембраны Не сохраняются и не запасаются в эндокринной ткани, секретируются сразу же после синтеза Регулируется синтез, а не высвобождение Ферменты биосинтеза стероидных гормонов локализованы в митохондриях и гладком ЭПР Транспорт с кровью требует наличия специальных гормон-связывающих белков-переносчиков В некоторых случаях могут быть конвертированы в формы с измененной биологической активностью неэндокринными тканями (печень, ткани-мишени) © 2007, В.Г.Зайцев

Скелет стероидных гормонов 1,2-Циклопентано- пергидрофенантрен 4 углеводородных кольца (3 шестичленных и 1 пятичленное) Положения заместителей указаны стрелками Возможные заместители: метил-, гидрокси-, оксо-, карбоксил-, ацетил-, гидроксиацетил-, карбоксиалкил- и др. © 2007, В.Г.Зайцев

Метаболическое происхождение Все стероидные гормоны – липофильные низкомолекулярные соединения, общим предшественником которых является холестерин Источники холестерина в организме человека: пища и биосинтез (преимущественно в гепатоцитах) © 2007, В.Г.Зайцев

Место стероидных гормонов в обмене холестерина © 2007, В.Г.Зайцев ХОЛЕСТЕРИН Эстрогены Желчные кислотыВитамин DПрогестерон Глюкокортикоиды Минералокортикоиды Андрогены

Стереохимия стероидов Для связи B/C у стероидов животных известна только цис- конформация Связи A/B и C/D могут быть и цис-, и транс- Большинство стероидных гормонов человека имеют конформацию транс-транс-транс (5α-стероиды) © 2007, В.Г.Зайцев 5α-стероиды5β-стероиды

Стероиды с регуляторным действием 1.«Истинные» стероидные гормоны: синтезируются главным образом в железах внутренней секреции эндокринные эффекты 2.Нейростероиды (Baulieu E.E., 1991; Biol. Cell. 71:3-10) синтезируются клетками центральной нервной системы (ЦНС) аутокринные и паракринные эффекты © 2007, В.Г.Зайцев

Необходимые этапы обмена Синтез стероидных гормонов непосредственно из холестерина или из промежуточных продуктов Секреция стероидных гормонов в кровь / транспорт к мишеням действия Периферический обмен (превращение первичных стероидных гормонов в метаболиты с иной биологической активностью, происходит в печени и в клетках-мишенях) Поглощение клетками-мишенями Инактивация и катаболизм стероидных гормонов / выведение продуктов распада © 2007, В.Г.Зайцев

Классификации стероидных гормонов По месту образования По биологическим функциям (на какие системы воздействуют) По видам биологической активности По биохимической активности По типам клеток-мишеней По химической структуре По гендерности (универсальные/мужские/женские) © 2007, В.Г.Зайцев

Места образования НАДПОЧЕЧНИКИ (кортикостероиды – глюкокортикоиды и минералокортикоиды, отчасти – прогестерон и некоторые андрогены) СЕМЕННИКИ (мужские половые гормоны – андрогены) ЯИЧНИКИ (женские половые гормоны – прогестины и эстрогены) ФЕТОПЛАНЦЕНТАРНАЯ ЭНДОКРИННАЯ ТКАНЬ (прогестерон с 6-8-й нед беременности, а также эстрогены – из дегидроэпиандростеронсульфата) © 2007, В.Г.Зайцев

Классы стероидных гормонов ГЛЮКОКОРТИКОИДЫ (основной представитель – кортизол) МИНЕРАЛОКОРТИКОИДЫ (наиболее известен и изучен альдостерон) АНДРОГЕНЫ (например, тестостерон) ПРОГЕСТИНЫ, или ПРОГЕСТОГЕНЫ (прогестерон) ЭСТРОГЕНЫ (наиболее значимые – эстрадиол и эстрон) © 2007, В.Г.Зайцев

Общая схема биосинтеза © 2007, В.Г.Зайцев

Общий метаболический предшественник Прегненолон (C 21 -стероид) Образуется на первом этапе синтеза ВСЕХ стероидных гормонов Реакция отщепления боковой цепи холестерина катализируется особым цитохром Р450-зависимым ферментом – Р450scc (также называемым 20,22-десмолазой или 20,22-лиазой) Ключевой этап синтеза стероидных гормонов Регулируется адренокортикотропным гормоном (АКТГ) в надпочечниках и лютеинизирующим гормоном (ЛГ) в половых железах © 2007, В.Г.Зайцев

Андрогенные стероиды © 2007, В.Г.Зайцев Тестостерон 17β-гидроксиандрост-4-ен-3-он Андростендион Андрост-4-ен-3,17-дион 5α-дигидротестостерон 17β-гидрокси-5β-андростан-3-он

Андрогенные стероиды © 2007, В.Г.Зайцев Места синтеза Семенники Кора надпочечников Андрогенная активность Рост и развитие мужских половых органов Вовлечены в определение пола плода Влияют на пол-специфические особенности поведения Определяют проявление вторичных половых признаков Стимуляторы и регуляторы сперматогенеза Анаболическое действие Развитие мышечной массы Развитие скелета и соединительной ткани Развитие волосяного покрова Вызывают обращение катаболических процессов, приводящих к снижению массы отдельных видов тканей Стимуляция синтеза белка, подавление его распада

Анаболические стероиды © 2007, В.Г.Зайцев

Эстрогенные стероиды © 2007, В.Г.Зайцев Эстрадиол эстр-1,3,5-триен-3,17β-диол Эстрон 3-гидроксиэстр-1,3,5-триен-17-он Эстриол Эстр-1,3,5-триен-3,16α,17β-триол

Эстрогенные стероиды © 2007, В.Г.Зайцев Места синтеза Яичники Плацента В небольших количествах – надпочечники, гипоталамус, аденогипофиз, семенники Физиологическая активность природных эстрогенов Регуляция репродукции Развитие женских половых органов Регуляция овуляции Подготовка организма женщины к беременности и регуляция стадий беременности Регуляция обмена костной ткани (рост) Регуляция характера жировых отложений

Синтетические эстрогены Сильнее, чем природные эстрогены, подавляют овуляцию Входят в состав оральных контрацептивов © 2007, В.Г.Зайцев

Прогестины Места синтеза Желтое тело яичников Плацента Семенники Кора надпочечников Физиологическая активность природных эстрогенов Сохранение и поддержание беременности Подавление созревания фолликулов и овуляции Предотвращение спонтанных сокращений матки Развитие молочных желез © 2007, В.Г.Зайцев Прогестерон прег-4-ен-3,20-дион

Минералокортикоиды Места синтеза Кора надпочечников (zona glomerulosa) Физиологическая активность Регуляция уровня и баланса электролитов (усиливают реабсорбция натрия и экскрецию калия) Регуляция водного обмена Повышение артериального давления © 2007, В.Г.Зайцев Альдостерон 11β,21-дигидроксипрегн-4-ен-3,18,20-трион альдегидная форма полуацетальная форма

Глюкокортикоиды Места синтеза Кора надпочечников (zona fasciculata) Физиологическая активность Регуляция обмена углеводов (глюконеогенез ), белков (протеолиз ), жиров (липолиз ), кальция Супрессия активности иммунной системы, регуляция, воспалительных и аллергических реакций Одни из стрессовых гормонов Вовлечены в формирование памяти, обучаемости, настроения, суточных ритмов © 2007, В.Г.Зайцев

Суточный ритм секреции кортизола © 2007, В.Г.Зайцев

Регуляторы синтеза стероидных гормонов 1.Лютеинизирующий гормон (ЛГ) прогестерон и тестостерон 2.Адренокортикотропный гормон (АКТГ) кортизол 3.Фолликуло-стимулирующий гормон (ФСГ) эстрогены 4.Ангиотензины II и III альдостерон © 2007, В.Г.Зайцев

Стероидогенные ферменты 1.Десмолазы (лиазы) Р450scc удаляет часть боковой цепи холестерина. Реакция требует цитохрома Р450, О 2, NADPH. Фермент митохондриальный, сопряжен с электрон-траспортной системой 2.Гидроксилазы Требуют цитохрома Р450, О 2, NADPH и могут быть обнаружены как в митохондриях, так и в ЭПР 3.Дегидрогеназы гидроксилированных стероидов (оксидоредуктазы) Могут быть цитозольными и микросомальными. Реакции обратимы, направление зависит от соотношения NAD(P)/NAD(P)H 4.Ароматаза Превращает А-цикл в ароматическое кольцо. Мембрано- связанный цитохром Р450-зависимый фермент © 2007, В.Г.Зайцев расположены в митохондриях и гладком ЭПР

Стероидогенные ферменты © 2007, В.Г.Зайцев Тривиальное название«Старое» обозначение «Новое» обозначение ДесмолазаP450 scc CYP11A1 3β-Гидроксистероид- дегидрогеназа 3β-HSD 17α-Гидроксилаза / 17,20- лиаза P450 C17 CYP17 21-ГидроксилазаP450 C21 CYP21A2 11β-ГидроксилазаP450 C11 CYP11B1 Альдостерон-синтазаP450 C11AS CYP11B2 АроматазаP450 aro CYP19

Стероидогенные ферменты © 2007, В.Г.Зайцев

Синтез стероидов в надпочечниках © 2007, В.Г.Зайцев * DHEA-S – дегидроэпиандростерона сульфат

Регуляция синтеза стероидов в надпочечниках zona fasciculata + zona reticularis адренокортикотропный гормон (АКТГ) + кортикотропин- либерин + кортизол (отрицательная обратная связь) цАМФ-зависимая регуляция zona glomerulosa ангиотензины II и III стимулируют P450scc регуляция уровнем внутриклеточного Ca 2+ по протеинкиназа С-зависимому механизму калий плазмы может регулировать синтез минералокортикоидов непосредственно, через действие потенциал-зависимых Ca 2+ -каналов изменение уровня калия в плазме всего на 0,1 мМ вызывает почти двукратное изменение секреции альдостерона © 2007, В.Г.Зайцев

Синтез половых гормонов © 2007, В.Г.Зайцев

Регуляция синтеза андрогенов МУЖЧИНЫ Клетки Лейдига продукция тестостерона стимулируется ЛГ по цАМФ- зависимому механизму не могут синтезировать дигидротестостерон Клетки Сертоли продукция тестостерона стимулируется ФСГ по цАМФ- зависимому механизму могут использовать эндогенный и экзогенный (из клеток Лейдига) тестостерон для синтеза дигидротестостерона ЖЕНЩИНЫ Текальные клетки яичников продукция андростендиона и тестостерона стимулируется ЛГ по цАМФ-зависимому механизму © 2007, В.Г.Зайцев

Регуляция синтеза андрогенов © 2007, В.Г.Зайцев * StAR – Steroidogenic Acute Regulatory Protein

Антагонисты андрогенов © 2007, В.Г.Зайцев Даназол (эндометриоз) Финестерид (облысение) Бикалутамид (рак простаты) Флутамид (рак простаты)

Ароматаза в синтезе эстрогенов Ароматаза присутствует в текальных и гранулёзных клетках яичников В текальных клетках синтез эстрогенов (секреция в кровь) стимулируется ЛГ через активацию синтеза андрогенов В гранулёзных синтез эстрогенов (из андрогенов текальных клеток, секреция в фолликулярную жидкость) стимулируется ФСГ через увеличение активности ароматазы. Созревание гранулёзных клеток повышает их чувствительность к ЛГ © 2007, В.Г.Зайцев

Ароматаза в синтезе эстрогенов © 2007, В.Г.Зайцев

Ароматаза в синтезе эстрогенов © 2007, В.Г.Зайцев

Периферическая конверсия стероидных гормонов Ткань головного мозга превращает андрогены, синтезированные половыми железами, в эстрогены В предстательной железе тестостерон превращается в дигидротестостерон © 2007, В.Г.Зайцев

Периферический обмен тестостерона © 2007, В.Г.Зайцев

Основные механизмы действия © 2007, В.Г.Зайцев

Рецепторы стероидных гормонов © 2007, В.Г.Зайцев Двухстадийная модель Ядерная модель

Рецепторы стероидных гормонов © 2007, В.Г.Зайцев

Рецепторы стероидных гормонов © 2007, В.Г.Зайцев

Рецепторы стероидных гормонов © 2007, В.Г.Зайцев (intracellular) (intranuclear) proteins Intracellular effects extracellular effects transcription translation dimerization DNA

Рецепторы стероидных гормонов © 2007, В.Г.Зайцев

Рецепторы стероидных гормонов © 2007, В.Г.Зайцев Cytoplasm HRE Nucleus Ligand SR mRNA Protein Cell specific Response TF SR

Регуляция функции стероидных гормонов Концентрация гормона Фосфорилирование/дефосфорилирование При низкой концентрации стероидов фосфорилирование обычно слабое Фосфорилируются серин и треонин Фермент: митоген-активируемые протеинкиназы (MAPKs) Связывание стероида может увеличивать степень фосфорилирования Фосфорилирование повышает сродство рецептора к ДНК, транскрипционную активность и стабильность комплекса гормон–рецептор–ДНК © 2007, В.Г.Зайцев

Рецепторы стероидных гормонов © 2007, В.Г.Зайцев

Рецепторы стероидных гормонов © 2007, В.Г.Зайцев FosJun ER Estrogen response element AP-1 element (or Sp-1) EE ER E

GR Glucocorticoid PR Progesterone AR Androgen ER Estrogen VDR, PPAR TR, FXR RXR, LXR RAR, PXR Steroid Receptors Class ll Receptors Orphan Receptors NGFI-B SF-I ERR ReVERB Palindrome HREsHalfsite HREs Direct Repeat HREs AGAACA-N3-TGTTCT GRE/PRE AGGTCA-N3-TGACCT ERE ACGGTCA-N1-5-AGGTCA AAA-ACGGTCA NBRE TCA-AGGTCA SFRE SR NR RXR NR

Коактиваторы рецепторов экстрогенов © 2007, В.Г.Зайцев SRC transcription RNA Pol. TBP TFII-B histone acetylation pCAF SRC ER ER CBP RGGTCA ACTGGR

Синергизм гормонов © 2007, В.Г.Зайцев

Инактивация стероидных гормонов © 2007, В.Г.Зайцев

Заболевания, связанные с нарушениями обмена стероидов ГИРСУТИЗМ (избыточная продукция дегидроэпиандростерона, дефект одного из 3-х ферментов биосинтеза) БОЛЕЗНЬ АДДИСОНА (гипокортицизм) СИНДРОМ КУШИНГА (гиперкортицизм – опухоли надпочечников или гипофиза, ятрогенный) ГИПЕРКОРТИЦИЗМ без синдрома Кушинга СИНДРОМ НЕЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ К АНДРОГЕНАМ (тестикулярная феминизация) © 2007, В.Г.Зайцев