Репродукция Эстрогены Информация об аналитах -1- Эстрогены Введение Эстрогены (англ. estrogens, oestrogens или œstrogens) – это группа стероидных соединений, получивших свое название из-за той важной роли, которую они играют в эстральном цикле. (Эстральный цикл – это циклические изменения, индуцированные репродуктивными гормонами у самок большинства видов млекопитающих; у человека эстральный цикл называется менструальным). Все эстрогены являются производными углеводорода эстрана, содержащие ароматическое кольцо и 18 атомов углерода. Они функционируют, главным образом, в качестве женских половых гормонов, однако также играют важную роль в обеспечении фертильности у мужчин. У женщин их продукция существенно выше. Известно более 30 форм эстрогенов, однако наиболее важными являются три из них: эстрон (E1), эстрадиол (E2) и эстриол (E3). Эстрадиол (17β-эстрадиол, E2) – это основной эстроген у небеременных женщин, эстрон (E1) – это основной эстроген во время менопаузы, а эстриол (E3) – это основной эстроген во время беременности. На рисунке 1 приводятся структурные формулы эстрогенов. Рисунок 1: Формулы эстрона, эстрадиола, эстриола и некоторых других эстрогенов Эстран Эстрадиол Эстрон 16-эпиэстриол 16α-гидроксиэстрон 2-гидроксиэстрон 4-гидроксиэстрон -2- Эстриол 16-Oксиэстрадиол-17β 2-метоксиэстрадиол Биосинтез эстрогенов Биосинтез и регуляция биосинтеза эстрогенов зависит от репродуктивного статуса организма. У способных к деторождению, не беременных женщин эстрогены синтезируются, главным образом, в яичниках (фолликулами яичников, а также желтым телом). Некоторые эстрогены также продуцируются (в меньших количествах) другими органами и тканями, такими как печень, надпочечники, молочные железы и жировая ткань. Эти вторичные источники эстрогенов приобретают значение в постклимактерический период, когда синтез в яичниках прекращается. Основной источник эстрогенов во время беременности это плацента. У мужчин небольшое количество эстрогенов продуцируется в надпочечниках и яичках. Регуляция синтеза эстрогенов с помощью системы гипоталамусгипофиз-гонады У небеременных женщин и в определенной степени у мужчин синтез и секреция эстрогенов стимулируется и контролируется, главным образом, с помощью системы гипоталамус-гипофиз-гонады (ГГГ). Данная система характеризуется взаимным влиянием гипоталамуса, гипофиза и гонад. Гипоталамус в импульсном режиме секретирует гонадолиберин (ГЛ). ГЛ индуцирует секрецию ЛГ и ФСГ гипофизом. В ответ на секрецию ЛГ и ФСГ гонады продуцируют стероидные гормоны. У женщин яичники продуцируют эстрогены, прогестерон и андрогены, а у мужчин яички продуцируют андрогены и эстрогены. Стероидные гормоны подавляют секрецию гонадотропина по механизму отрицательной обратной связи либо за счет прямого воздействия на гипофиз, либо за счет ингибирования синтеза ГЛ в гипоталамусе. Помимо этого при определенных условиях у женщин эстрогены могут воздействовать на переднюю долю гипофиза по механизму положительной обратной связи. Так, существенное возрастание синтеза эстрогенов в фолликулах перед овуляцией имеет положительное влияние на гипоталамус и гипофиз,19,20 что приводит к резкому повышению продукции ГЛ и инициированию овуляции. -3- Рисунок 2: Регуляторная петля обратной связи в системе гипоталамус-гипофиз-гонады18 Гипоталамус ГЛ Аденогипофиз ФСГ ЛГ Яичники Эстрадиол Яички Тестостерон Прогестерон Ингибин В Биосинтез У женщин, способных к овуляции, продукция эстрогенов начинается с синтеза андростендиона из холестерина, это происходит в клетках внутренней оболочки фолликулов. Андростендион обладает умеренной андрогенной активностью. Это соединение проходит через базальную мембрану в окружающие зернистые клетки, где конвертируется в эстрон или эстрадиол (либо сразу, либо через тестостерон). Конвертация тестостерона в эстрадиол и андростендиона в эстрон катализируется ароматазой. -4- В яичниках образуется большое количество эстрадиола и небольшое количество эстрона. Эстрогены также могут синтезироваться из андростендиона надпочечников в результате конверсии в периферических тканях. Считается, что в ходе нормального метаболизма эстрогенов, эстрадиол с эстроном формируют обратимую окислительно-восстановительную систему.15 Эстрадиол имеет самую высокую концентрацию в организме, большая часть эстрона образуется в результате конверсии эстрадиола и периферической ароматизации андростендиона. Во время беременности биосинтез эстрогенов имеет количественные отличия по сравнению с биосинтезом у небеременных женщин. В этом случае основным источником эстрогенов является плацента, а не яичники, как у небеременных женщин.6 По сравнению с микрограммами эстрогенов, секретируемых ежедневно у небеременных женщин, количество эстрогенов, секретируемых во время беременности, возрастает до миллиграммов и уровень эстрогенов устойчиво возрастает до рождения ребенка. Основным эстрогеном, продуцируемым плацентой, является эстриол, который синтезируется в значительных количествах только во время беременности. В плаценте из циркулирующего холестерина синтезируются прегненолон и прогестерон. В надпочечниках плода прегненолон конвертируется в слабый андроген дегидроэпиандростерон (ДЭА), а затем сульфонируется с образованием дегидроэпиандростерон сульфата (ДЭАС). В печени плода ДЭАС конвертируется в 16-OH ДЭАС. В конечном итоге из 16-OH ДЭАС в плаценте образуется эстриол. Эстрадиол и эстрон синтезируются подобным образом, т.е. в плаценте из ДЭА, продуцируемого надпочечниками плода. У женщин в постклимактерический период основным источником эстрогенов является периферическая конверсия андростендиона, образующегося в надпочечниках. Таким образом, эстрон становится основным эстрогеном, а уровень эстрадиола значительно падает по сравнению с доклимактерическими значениями. Периферическая конверсия также является основным источником циркулирующих эстрогенов у детей в препубертатный период и у мужчин. Жировая ткань и мозг являются наиболее важными сайтами продукции эстрогенов у мужчин. Также эстрогены продуцируются в надпочечниках, печени, молочных железах, волосяных фолликулах и яичках. Поскольку -5- продукция эстрогенов зависит от ароматазы, концентрация которой особенно велика в жировой ткани, повышенный синтез эстрогенов может быть связан с ожирением. Основным метаболитом эстрадиола и эстрона является эстрон сульфат. Хотя данное соединение не обладает биологической активностью, оно может быть обратно преобразовано в эстрон и эстрадиол и служит, таким образом, хранилищем медленно метаболизируемых эстрогенов. Эстрон сульфат образуется в различных тканях, но, главным образом, – в печени. Рисунок 3: Стероидогенез Минералокортикоиды (21 атом углерода) Холестерин Альдостерон Фермент, отщепляющий боковую цепь холестерина Альдостеронсинтаза Дезоксикортикостерон Прогестерон Кортизол Глюкокортикоиды (21 атом углерода) Эстрон Тестостерон (печень и плацента) Андростендион 17β-ГСД Андростендиол Кортикостерон 11-дезоксикортизол Ароматаза Андрогены (19 атомов углерода) Дегидроэпиандростерон 17α-гидроксипрогестерон 11β-гидроксилаза 17,20-лиаза 17α-гидроксилаза 21α-гидроксилаза 17α-гидроксипрегненолон 3β-гидроксистероиддегидрогеназа (3-бета-ГСД) Прогестагены (21 атом углерода) Прегненолон Эстриол Эстрадиол Локализация ферментов в клетке 5α-редуктаза Митохондрии Дигидротестостерон -6- Гладкий эндоплазматический ретикулум Транспорт эстрогенов в крови Более 97% эстрадиола, циркулирующего в крови, связано с белками плазмы. Эстрадиол с высокой аффинностью специфически связан с ГСПГ и неспецифически с альбумином.12 У женщин от 40 до 60% эстрадиола циркулирует связанным с ГСПГ и от 40 до 60% – связанным с альбумином. ГСПГ имеет более высокую аффинность к тестостерону, чем к эстрадиолу, поэтому у мужчин от 20 до 30% эстрадиола циркулирует связанным с ГСПГ и от 70 до 80% – связанным с альбумином.12 Только 2 – 3% эстрадиола циркулирует в свободной форме. Эстрогены вызывают увеличение концентрации ГСПГ, поэтому у женщин концентрация ГСПГ выше, чем у мужчин. Также уровень ГСПГ повышается во время беременности, при использовании оральных контрацептивов, гипертиреозе и приеме некоторых антиэпилептических препаратов. Концентрация ГСПГ может уменьшаться при гипотиреозе, ожирении или при избытке андрогенов. Эстрон, эстрон сульфат и эстриол, напротив, циркулируют связанными, главным образом, с альбумином, а не с ГСПГ. Метаболизм Как и в случае других стероидов, печень является главным сайтом инактивации эстрогенов. Основные биохимические реакции, происходящие в печени – это гидроксилирование, оксидация, восстановление и метилирование. Связывание с глюкуроновой или серной кислотой увеличивает растворимость в воде, что позволяет быстро выводить эстрогены через почки с мочой. Некоторые водорастворимые соединения также выводятся с желчью и после гидролиза частично реабсорбируются в кишечнике. Данная энтерогепатическая циркуляция способствует поддержанию уровня эстрадиола. Физиологические функции Эстрогены присутствуют в организме и женщин, и мужчин. Как правило, концентрация эстрогенов существенно выше у женщин детородного возраста, поскольку именно у них эстрогены являются критически важными веществами, отвечающими за менструальный цикл, оплодотворение и беременность. Несмотря на более низкие концентрации, значение эстрогенов для нормального функционирования организма мужчины также бесспорно. -7- Роль эстрогенов у женщин Эстрогены необходимы для нормального физического созревания женщины. Совместно с другими гормонами эстрогены принимают участие в процессе овуляции и имплантации оплодотворенной яйцеклетки, а также стимулируют развитие и рост других органов. В отсутствие андрогенов эстрогены стимулируют внутриутробное развитие влагалища, матки и фаллопиевых труб из эмбриональных мюллеровых протоков. Также в пубертатный период эстрогены стимулируют развитие стромы молочных желез и молочных протоков, отвечают за ускоренный рост костной ткани и за закрытие эпифизов длинных костей. Дополнительную информацию см. в таблице 1. Эстрогены стимулируют развитие вторичных половых признаков у женщин. Эстрогены принимают участие в стимуляции роста подмышечных и лобковых волос. Они также изменяют распределение жировой ткани, включая отложение жировой ткани на бедрах и груди, и формируют, таким образом, типичное для женщин телосложение. Эстрогены оказывают и другие важные метаболические экстрагенитальные воздействия (см. таблицу 1). К примеру, эстрогены уменьшают скорость резорбции кости, противодействуя влиянию паратиреоидных гормонов. Поэтому при недостатке эстрогенов остеопороз становится обычной проблемой у женщин в постклимактерический период. Эстрогены также влияют на настроение: прекращение приема эстрогенов, колебания уровня эстрогенов и длительное снижение уровня эстрогенов могут привести к ухудшению настроения. Эстрогены играют очень важную роль в развитии плода. Без эстрогенов невозможна инициация формирования легких, почек, печени, надпочечников и некоторых других органов. Эстрогены критически важны для роста и нормального функционирования плаценты. Высокий уровень эстрогенов (и прогестерона) вызывает подавление секреции гормонов гипоталамуса и, как следствие, менструального цикла. Эффекты эстрогенов перечислены в таблице 1. -8- Таблица 1: Метаболические эффекты эстрогенов у женщин Процессы/ткани/органы Эффект Репродуктивные органы Скелет Рост и развитие Развитие вторичных половых признаков в пубертатный период Ускорение роста трубчатых костей Закрытие эпифиза в пубертатный период Овуляция Оплодотворение Имплантация эмбриона Влагалище Шейка матки Молочные железы Резорбция кости Мышцы Метаболизм Коагуляция Желудочно-кишечный тракт Равновесие жидкости в организме Белки плазмы Липопротеины Плод Поддержание жизнедеятельности плода Репродуктивные процессы Стимуляция роста фолликула яичника Изменение цервикальной секреции: увеличение продолжительности существования сперматозоидов и облегчение их передвижения Улучшение подвижности сперматозоидов в фаллопиевых трубах за счет уменьшения вязкости слизи Стимуляция развития эндометриальной оболочки при наступлении беременности Пролиферация клеток слизистой оболочки влагалища Изменение консистенции слизи Стимуляция развития стромы молочных желез и молочных протоков Общие метаболические эффекты Уменьшение скорости резорбции кости Уменьшение массы мышечной ткани Ускорение метаболизма, уменьшение отложения жира Увеличение концентрации в крови факторов 2, 7, 9, 10 и плазминогена Снижение уровня антитромбина III Усиление адгезии тромбоцитов Уменьшение перистальтики Повышение концентрации холестерина в желчи Удержание солей (натрия) и воды Увеличение синтеза в печени ГСПГ, ТСГ и других связывающих белков Увеличение количества липопротеинов высокой плотности и небольшое уменьшение количества липопротеинов низкой плотности Беременность Стимуляция развития влагалища, матки и фаллопиевых труб Стимуляция развития других органов Регуляция плотности костной ткани Защита плода женского пола от воздействия материнских андрогенов. (Андрогены – стероиды, оказывающие маскулинизирующее воздействие.) Стимуляция кровотока в матке Участие в развитии плаценты и регуляции ее функций Поддержание, регуляция и инициация продукции других гормонов Препятствование отторжения эндометрия Участие в подготовке к процессу лактации -9- Роль эстрогенов у мужчин Роль эстрогенов у мужчин долгое время недооценивалась. Считалось, что эти гормоны у мужчин вызывают ухудшение функций гонад и не оказывают какого-либо положительного воздействия. Однако со временем выяснилось, что эстрогены регулируют определенные функции репродуктивной системы, важные для созревания спермы.8 Также в настоящее время считается, что эстрогены оказывают у мужчин и некоторые другие благотворные эффекты. Эстрогены принимают участие в формировании костей и задерживают рост костей в длину. Также они оказывают влияние на метаболизм липидов и половое созревание, т.е. воздействие, которое до недавнего времени приписывалось тестостерону. Повидимому, эстрогены также оказывают влияние на сердечно-сосудистую систему. Уровень Поскольку продукция эстрогенов тесно связана с репродуктивной функцией, неудивительно, что уровень эстрогенов с возрастом меняется. Это особенно выражено у женщин. В детском возрасте базовый уровень эстрогенов остается низким, но при наступлении пубертатного периода начинает постепенно возрастать. Увеличенная продукция эстрогенов инициирует физические и психические изменения, включая развитие вторичных половых признаков, ускоренный рост и наступление менархе (т.е. первого менструального кровотечения). Между менархе и менопаузой репродуктивные органы женщины в норме претерпевают в ходе менструального цикла повторяющиеся изменения, связанные с периодическим изменением концентрации эстрогенов. В это время жизни яичники являются основным источником эстрогенов, причем наиболее интенсивно синтезируется самый сильный эстроген – эстрадиол. У женщин данная повторяющаяся последовательность изменений прерывается во время беременности и в послеродовый период. Уровень эстрадиола и эстрона начинает увеличиваться на 6-8 неделе беременности, во время беременности концентрация этих гормонов возрастает в 100 раз по сравнению с нормальными значениями до беременности. Уровень эстриола, изначально очень низкий, увеличивается примерно в 1000 раз по сравнению с нормальным уровнем до беременности. В постменопаузе (т.е. в период после последней менструации), продукция эстрогенов в яичниках прекращается. Эстрогены, синтезирующиеся в коре надпочечников и представленные, главным образом, эстроном, продолжают - 10 - циркулировать в организме женщины, но их недостаточно для поддержания вторичных половых признаков на уровне, который обеспечивался эстрогенами яичников. Эстрогены: резюме Было обнаружено более 30 эстрогенов, однако установлено, что непосредственное клиническое значение имеют только эстрадиол, эстрон и эстриол. Информация об уровне эстрон сульфата также может быть полезна, поскольку позволяет непрямым методом получить информацию об общем запасе эстрогенов в организме. Основные функции упомянутых выше стероидов приводятся в таблице 2. Таблица 2: Сравнение эстрадиола, эстрона, эстрон сульфата и эстриола Степень эстрогенного воздействия Физиологическая функция Транспорт в крови Основной сайт продукции ж – у женщин Эстрадиол Эстрон Высокая Средняя (в 1.25-5 раза менее сильный эстроген, чем эстрадиол) Основной эстроген у женщин, способных к овуляции (см. таблицу 1) Сперматогенез у мужчин ГСПГ – ж:~50%;м:~25% Альбумин – ж:~50%;м:~25% Свободный - 2-3% ж: Яичники Плацента во время беременности м: Яички Надпочечники Периферическая конверсия (жировая ткань, печень) Эстрон сульфат Эстриол Отсутствует Слабая Основной эстроген в постклимактерический период Хранилище эстрогенов Поддержание беременности Специальная функция у небеременных женщин и у мужчин отсутствует Главным образом, связанный с альбумином Главным образом, связанный с альбумином Главным образом, связанный с альбумином Жировая и другие ткани (периферическая конверсия) ж: Плацента во время беременности ж: Яичники Печень Другие ткани ж: Плацента во время беременности м: - у мужчин - 11 - Краткая характеристика эстрадиола, эстрона, эстрон сульфата и эстриола ЭСТРАДИОЛ Эстрадиол (E2) является наиболее сильным эстрогеном в периферической крови. Это основной эстроген, продуцируемый яичниками; кроме того, он синтезируется в плаценте, надпочечниках и яичках. Эстрадиол образуется из холестерина, его непосредственные предшественники – андростендион и тестостерон. Более 97% циркулирующего в крови эстрадиола связано с сывороточными транспортными белками, главным образом, с ГСПГ. Катаболизм эстрадиола в печени приводит к его трансформации в эстрон, эстриол, а также в соединения глюкуронаты или сульфаты, которые выделяются с мочой. Измерение уровня эстрадиола совместно с уровнем гонадотропинов позволяет получить ценную информацию при оценке аномалий менструального цикла и бесплодия у взрослых женщин. Диагностическая информация Повышенный уровень эстрадиола СПКЯ (синдром поликистозных яичников); эстроген-продуцирующие опухоли; гинекомастия; болезни печени; тестикулярная феминизация; преждевременное половое созревание; гипертиреоидизм Пониженный уровень эстрадиола Первичное угасание функции яичников; синдром Тернера; гипопитуитаризм; гипогонадизм; задержка полового созревания ЭСТРОН Эстрон (E1) – это более сильный эстроген, чем эстриол (E3), но менее сильный, чем эстрадиол (E2). Эстрон – это основной циркулирующий эстроген в постклимактерический период. Во время менструального цикла соотношение E2/E1 заметно меняется. Большая часть E1 находится в форме сульфата. Уровень эстрона у небеременных женщин и у мужчин характерно меняется в течение дня. Диагностическая информация Повышенный уровень эстрона СПКЯ (синдром поликистозных яичников); андроген-продуцирующие опухоли; эстроген-продуцирующие опухоли; ожирение с повышенной тканевой продукцией E1; болезни печени; тестикулярная феминизация; преждевременное половое созревание; гипертиреоидизм Пониженный уровень эстрона Первичное угасание функции яичников; синдром Тернера; гипопитуитаризм; гипогонадизм - 12 - ЭСТРОН СУЛЬФАТ Эстрон сульфат (E1S) – это сульфатированное производное эстрона. Из всех эстрогенов эстрон сульфат имеет наибольшую концентрацию в крови небеременных женщин и здоровых мужчин. Он появляется в периферической циркуляции в результате активности сульфокиназ, присутствующих в периферических тканях, гонадах и коре надпочечников. Эстрон сульфат является главным метаболитом эстрадиола и эстрона. Также известно, что это соединение имеет более продолжительный период полужизни в крови. Образование эстрон сульфата происходит в различных тканях организма, но, главным образом, в печени. Диагностическая информация Повышенный уровень эстрон сульфата СПКЯ (синдром поликистозных яичников); андроген-продуцирующие опухоли; эстроген-продуцирующие опухоли; ожирение с повышенной тканевой продукцией E1; болезни печени; тестикулярная феминизация; преждевременное половое созревание; гипертиреоидизм Пониженный уровень эстрон сульфата Первичное угасание функции яичников; синдром Тернера; гипопитуитаризм; гипогонадизм ЭСТРИОЛ Эстриол (E3) – это менее сильный эстроген, чем эстрадиол и эстрон. Он играет важную физиологическую роль во время беременности, когда его концентрация увеличивается в 1000 раз по сравнению с уровнем у небеременных женщин. Эстриол в больших количествах синтезируется в плаценте, ткани, соединяющей плод с матерью. Эстриол можно обнаружить на девятой неделе беременности и его уровень увеличивается до момента рождения ребенка. Эстриол можно использовать в качестве показателя здоровья и благополучия плода. Также его широко используют в рамках скринингового выявления хромосомных и наследственных дефектов. Диагностическая информация Повышенный уровень эстриола Многоплодная беременность Пониженный уровень эстриола Замедление темпов роста плода; наследственные или хромосомные дефекты плода; дефицит плацентарной сульфатазы; анемия, тяжелые заболевания печени. - 13 - Список литературы 1. Bourguignon, J.P., Linear growth as a function of age at onset of puberty and sex steroid dosage: therapeutic implications, Endocr. Rev.,1988, 9 (4), 467-488 2. Kleerekopper, M., Sullivan, J.M.: Osteoporosis as the model of the long-term clinical consequences of the menopause, Prog. Cardiovasc. Dis., 1995, 38, 181-188 3. Partridge, W.M.: Serum bioavailability of sex steroids, Clinics in Endocrinoloogy and Metabolism, 1986, 15, 259-278 4. Grodstein, F., Stampfer M.: The epidemiology of coronary heart disease and estrogen replacement in postmenopausal women, Prog. Cardiovasc. Dis., 1995, 38, 199-210 5. Carr, B.R.:Textbook of endocrinology, Wilson & Foster Eds., 1992, 733-798 6. Yen, S.S.C.: Chronic anovulation caused by peripheral endocrine disorders, In: Reproductive Endocrinology, Philadelphia, W.B.Sanders Co., 1991, 273-308 7. Lee, J.M., Howell, J.D.: Tall girls: the social shaping of a medical therapy, Arch. Pediatr. Adolesc. Med., 2006, 160(10), 1035-9 8. Hess, R.A, et all: A role for estrogens in the male reproductive system, Nature, 1997, 390, 509-512 9. Massaro, D., Massaro, G.D.: Estrogen regulates pulmonary alveolar formation, loss, and regeneration in mice, Am. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol., 2004, 287 (6), 1154 -9 10. Warnock, J.K., et all: Combined esterified estrogens and methyltesto-sterone versus esterified estrogens alone in the treatment of loss of sexual interest in surgically menopausal women, Menopause, 2005, 12 (4), 374-84, 2005 11. Hill, R. A., all: Estrogen deficient male mice develop Compulsive Behavior, Biological Psychiatry, 2007, 61, 359 12. O´Malley, B., et all: Steroid hormones: Metabolism and mechanism of action, In: Reproductive endocrinology, Philadelphia, W.B.Saunders Co., 1991, pp. 156-195 13. Adashi, E.Y.,: The ovarian cycle, In: Reproductive Endocrinology, , Philadelphia, W.B. Saunders Co., 1992, pp.181-237 14. White, P.C.: Vitam. Horm., 49:131,1994 - 14 - 15. Quest Diagnostics/Nichols Institute. The Corning Endocrine Manual, Capistrano, CA: Quest Diagnostics/Nichols Institute, 1996 16. Yen S.S.C.: The human menstrual cycle: Neuroendocrine regulation, In: Reproductive Endocrinology, S.S.C. Yen and R.B. Jaffe, Eds., Philadelphia, W.B.Saunders Co.: 1991, pp. 273-308 17. Losos J.B., Raven, Peter H.; Johnson, George B.; Singer, Susan R. (2002). Biology. New York: McGraw-Hill, pp. 1207-09 18. Burtis C.A., Ashwood E.R.: Tietz Textbook of Clinical Chemistry. 3rd. edition, WB Saunders, Philadelphia, 1999, p. 1615 19. Liu JH, Yen SSC: Induction of midcycle gonadotropin surge by ovarian steroids in women: a critical evaluation, J. Clin. Endocrinol. Metab., 1983, 57, 797-802. 20. Urban RJ, Evans WS, Rogol AD, Kaiser DL, Johnson ML, Velduis JD: Contemporary aspects of discrete peak-detection algorithms. I. the paradigm of the luteinizing hormone pulse signal in men, Endocr. Rev., 1988, 9, 3-37. - 15 -