生殖内分泌类固醇激素的合成与功能

第二节
生殖内分泌类固醇激素的合成与功能

类固醇激素（steroid hormone），又称甾体激素。类固醇激素来源于胆固醇，这是一类具有极其重要作用的激素。在维持生命、男女性生殖过程和免疫调节等方面均有明确的作用。本章节主要讨论有关性类固醇激素的合成、代谢及作用机制等。

一、类固醇激素的结构和分类

所有的类固醇激素具有相似的化学结构，而它们细微的结构差异就可导致显著的生物学活性改变。类固醇激素是一类四环脂肪烃化合物，具有环戊烷多氢菲母核（perhydrocyclopentanephenanthrene），是以其为骨架的脂类。其中的核心结构环戊烷多氢菲母核由3个6-碳环（第一个为苯环，第二个为萘环，第三个为菲环）和1个5-碳环（环戊烷）组成的。

类固醇可以根据不同方法进行分类。按药理作用分：性激素和皮质激素；按化学结构（甾烷母核结构）分：雄甾烷结构，雌甾烷结构，孕甾烷结构；按药学分：甾体雌激素，非甾体雌激素，雄性激素，抗雌激素，蛋白同化激素，孕激素，甾体避孕药，抗孕激素和肾上腺皮质激素等。

二、类固醇激素命名

性激素（性类固醇激素或性甾体激素）按照含碳原子数目分为以下3组：①19-碳类固醇：基本结构为雄甾烷核，包括所有雄激素；②18-碳类固醇：基本结构为雌甾烷核，为雌激素；③21-碳类固醇：基本结构为孕甾烷核，包括肾上腺皮质激素和孕激素。

类固醇激素的命名是依据碳原子数目确定激素的名称，如雄烷、雌烷或是孕烷。命名的基本规则如下：①找出双键位置，用数字标出，例1、2或3个双键，命名为烯、二烯、三烯。Δ/δ，代表双键的位置。②再用数字标出羟基所在的碳原子的位置，如1、2和3个羟基，则分别命名为羟/醇、二醇和三醇。③最后用数字标出酮基附着的碳原子，如1、2和3个酮基则命名为酮、二酮和三酮。

三、类固醇激素的合成

类固醇激素都是由其前体——胆固醇在体内进一步合成得到的。

（一）胆固醇的合成

除脑组织和成熟红细胞外，几乎全身各组织均可合成胆固醇，肝脏合成能力最强，占总量的3/4以上。乙酰CoA是起始原料，需ATP供能和烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸（NADPH）供氢。合成酶系存在于胞液和内质网。

胆固醇的合成过程是一个极其复杂的过程，有近30步酶促反应，大致分为三个阶段。循环中的胆固醇由低密度脂蛋白（LDL）、高密度脂蛋白（HDL）和其他脂蛋白携带，是激素合成的前体，而不是从头合成的胆固醇。有报道显示用放射性物质标记后的血浆胆固醇在男性体内与甾体激素产生池内胆固醇的量保持一致。由此，两条提供胆固醇的途径——HDL和LDL就显得十分重要了。

同时，其他脂蛋白对于类固醇激素的产生也很重要。针对低β脂蛋白血症的研究显示，这种血液循环中缺乏LDL的疾病，导致肾上腺皮质激素降低，患有此疾病的孕妇，黄体期及妊娠期孕酮水平也同样降低，但其量仍能足够完成足月妊娠的需要。

（二）类固醇的合成

除胎盘外，所有生成类固醇的器官组织均可以醋酸盐为原料合成胆固醇。图2-1是Kenneth J.Ryan和他的团队研究出的全部类固醇合成途径，所有合成类固醇激素的内分泌器官和细胞均遵循这条合成途径。

三种性激素可在卵巢内利用2-碳醋酸盐分子原位合成胆固醇。这些原位合成的胆固醇就可以作为合成性激素的前体物质。卵巢自身合成的胆固醇并不能够满足需求，因此血液循环中的胆固醇才是合成性类固醇激素的主要来源。这些血液循环中的胆固醇必须要进入到卵巢细胞内的类固醇激素合成途径中，或者以酯化的形式储备以便需要时用。在血液中LDL是胆固醇的载体，胆固醇进入细胞则需要细胞表面的LDL受体的介导才能完成。

肾上腺皮质产生三组类固醇激素，包括糖皮质激素、盐皮质激素和性激素。肾上腺皮质产生的性激素是糖皮质激素和盐皮质激素合成过程中的中间产物。肾上腺皮质产生的性激素增加仅见于肾上腺肿瘤或特定代谢酶类的缺乏等病理情况。一般来说，肾上腺皮质生成的性激素的意义要低于性腺生成的性激素。女性卵巢可以合成三种性激素：雄激素、雌激素和孕激素。在卵巢中生成的雄激素不单单只是合成雌激素的前体物质，还有着重要的生理意义。

所以这里主要以性腺（卵巢）生成的性激素为例说明激素的合成与代谢。

1.类固醇合成概述类固醇生成中可能发生的反应如下：

①一个侧链断裂（碳链裂解酶反应）；②羟基转换为酮基，或酮基转换为羟基（脱氢酶反应）；③增加羟基（强化作用）；④形成双键（去氢）；⑤增加氢还原为双键（饱和）。在此过程中，胆固醇或其他任何类固醇分子中的碳原子数目均可能减少，但决不会增加。以前认为在类固醇合成的每一步中均需要多种类不同的酶类参与，现在随着基因研究的深入，人们对于类固醇合成系统的认识也逐步加深。对P450酶的氨基酸和核苷酸序列进行研究后发现，从胆固醇到孕烯醇酮之间的所有步骤均受到结合于线粒体内膜的蛋白-P450scc介导。而这个P450scc基因则位于15号染色体上。以上这些结论证明了类固醇合成的所有步骤并不需要多种酶类的参与。反应中需要的不同的酶活性也只是来自翻译后水平的修饰。而不同组织中调节机制的不同可能是由于不同组织中相同基因不同的组织特异性启动子或其他特异调节序列所致。

类固醇合成所需要的胆固醇的主要来源为细胞内储备和输送。由于胆固醇疏水的特性，类固醇生成真正的限速步骤是将胆固醇从线粒体膜外侧转运至内侧，与此同时完全活化的P450scc已经在线粒体膜内侧等待着胆固醇的到来。慢速胆固醇转运需要基因转录和通道或调节蛋白的合成，但快速转运则不依赖于基因转录和新RNA的合成，但仍需要蛋白的合成，特别是调节胆固醇通过线粒体膜的蛋白质。

胆固醇在P450scc作用下，经过碳20位和22位的羟化作用和侧链裂解，在线粒体内转化为孕烯醇酮。随后，女性性腺卵巢内类固醇的进一步合成则按照以下两种代谢途径之一进行：①Δ ⁴ 途径：通过孕酮和17α-羟孕酮进行——Δ ⁴ -3-酮途径；②Δ ⁵ 途径：通过孕烯醇酮和脱氢表雄酮进行——Δ ⁵ -3β-羟基类固醇途径（图2-1）。

图2-1　性激素合成示意图

2.卵巢类固醇激素的合成与代谢

（1）雌激素合成与代谢：

雄激素是雌激素的前体。具有27碳原子的胆固醇在卵巢内若干种类酶的作用下，衍变为21碳原子的孕激素和19碳原子的雄激素，最后转化为18碳的雌激素。例如睾酮于19位C原子脱去甲基，再通过芳香化酶芳香化转化成雌二醇（estradiol，E ₂ ）。雌二醇是妇女体内生物活性最强的雌激素。卵巢内雌二醇主要通过雄烯二酮-雌酮代谢途径合成。

雌激素95%为卵巢分泌，从肾上腺及周围血转化而来的雌酮（estrone，E ₁ ）仅为5%以下。雌激素是在FSH和LH两种促性腺激素作用下由卵巢卵泡膜细胞、颗粒细胞共同合成的，即两促性腺激素两细胞学说（图2-2）。

图2-2　两促性腺激素两细胞学说示意图

卵泡发育过程中，卵泡膜细胞上有LH受体，接受LH刺激合成雄激素，即雄烯二酮和睾酮，颗粒细胞不能合成雄激素，但细胞上有FSH受体，接受FSH刺激激活芳香化酶，将周围卵泡膜细胞所提供的雄激素经芳香化酶作用后合成E ₂ 和E ₁ 。颗粒细胞和卵泡膜细胞虽然都可以单独合成雌激素，但颗粒细胞的芳香化酶为卵泡内膜细胞的700倍，两种细胞一起培养，雌激素产量可大大提高。E ₂ 合成后可流入血液，并集中在卵泡液中，排卵前卵泡液中雌激素水平可千倍于血中水平。

卵巢主要合成雌二醇和雌酮两种雌激素，但在血液循环内尚有雌三醇（E ₃ ）。非妊娠期妇女雌二醇生成率为100～300μg/d，雄烯二酮为3mg/d，外周组织中雄烯二酮转化为雌酮的转化率为1%，占雌酮每天生成量的20%～30%。由两者的计量单位的差别可见，即使雄烯二酮转化率很低，每天生成的雌酮量也是很可观的。因此，女性血液中的雌激素应当说是卵巢直接分泌的雌二醇和雌酮与外周组织中转化而来的雌激素的总和。雌三醇是雌二醇和雌酮的外周代谢降解产物，活性最弱，且不由卵巢分泌。雌三醇的产生即是把高生物活性的雌激素转变为低生物活性的激素形式。排卵前的雌激素主要由颗粒细胞分泌，排卵后的雌激素和孕激素主要由黄体细胞分泌，其分泌的功能随着卵巢功能周期性变化而波动。

（2）孕激素合成与代谢：

孕激素主要包括天然的黄体酮和一系列人工合成的孕激素，如异炔诺酮、甲炔诺酮和己酸孕酮等。胆固醇在细胞的线粒体内，经裂解酶作用，转化为孕烯醇酮（pregnenolone）。孕烯醇酮是合成孕激素、雄激素和雌激素的前体。孕烯醇酮通过3β-羟甾脱氢酶（3β-HSD）使C3上的羟基氧化为酮基；再经Δ ⁵ -4异构酶使C 5-6位的双键，转为4-5位，即形成孕酮。孕激素是由卵巢的黄体细胞分泌，以孕酮为主。在肝脏中灭活成孕二醇后与葡萄糖醛酸结合经尿排出体外。非妊娠妇女，由于其外周组织中的类固醇不能转化为孕酮，其孕酮生成即包括肾上腺和卵巢分泌的总和。孕酮代谢的大致过程与其他性激素相似，但较雌激素复杂，10%～20%的孕酮以孕二醇的形式排出体外。

（3）雄激素合成与代谢：

雄激素是由孕烯醇酮合成雌激素过程中的关键中间产物。由孕烯醇酮转化为雄激素有两条途径：一条途径是在17α-羟化酶（CYP17）、17，20-裂解酶（CYP17）和3β-脱氢酶（3β-HSD）作用下，孕烯醇酮经羟化、裂解、脱氢逐步转化为脱氢表雄酮和雄烯二醇；另一条途径是先在3β-HSD作用下脱氢，再经CYP17作用羟化、裂解生成雄烯二酮。目前认为CYP17是一多功能酶，具有17α-羟化酶和17，20-裂解酶两种酶活性，是卵巢合成性类固醇激素的关键酶。

卵巢内生成的主要雄激素为雄烯二酮，仅有少量的睾酮，均来自卵巢间质组织细胞的分泌。正常女性月经中期，血液中雄烯二酮和睾酮浓度也会因为间质组织的正常蓄积而升高。在另一种情况下，如卵巢间质组织的过度蓄积或存在分泌雄激素的肿瘤时，睾酮就会成为主要的雄激素分泌产物，浓度升高。在正常女性体内，每天生成的DHEA和雄烯二酮中，有90%的DHEA来自肾上腺，来自卵巢的约10%；雄烯二酮40%～50%来自卵巢，40%～50%来自肾上腺，其余的来自外周组织。正常妇女的睾酮生成率在0.2～0.3mg/d，其中50%由外周组织中雄烯二酮转化而来，25%由卵巢产生，剩余25%由肾上腺分泌。在某些组织如阴蒂、毛囊、皮脂腺中的雄激素，尤其是睾酮可受5α-还原酶的作用转化为双氢睾酮（dihydrotestosterone，DHT）。5α-还原酶在体内有两种存在形式：Ⅰ型和Ⅱ型，由独立的基因各自编码。Ⅰ型还原酶存在于皮肤中，Ⅱ型还原酶主要存在于与生殖相关的组织中。DHT这一5α衍生物在靶组织中形成，并且也是多种靶组织中主要的雄激素形式。它在外周血中不易测到，局部含量也很小，但有着较强的作用，可主导男性性器官的生长。DHT被认为是胞内分泌激素（intracrine hormone），在靶细胞内产生并发挥作用。

大部分DHT在细胞内完成代谢，血液中DHT含量只占睾酮的1/10。显然，睾酮仍是血液中的主要雄激素形式。即使在对DHT敏感的组织中，如毛囊，也仅在当DHT进入胞核后才能呈递雄激素信息。在无法实现睾酮和DHT间转化的细胞中，DHT也能起到雄激素的作用。DHT在3α-酮-还原酶的作用下，可转化为无活性的雄烷二醇（androstanediol）。DHT的主要代谢产物就是与葡萄糖醛酸相结合产生的3α-雄烷二醇。可以通过对这一代谢产物在血浆中浓度的测定反应组织中睾酮转化为DHT的活性。男性性器官的发育分化过程中，附睾、输精管和精囊的发育和分化依赖于睾酮的作用，而男性外生殖器、前列腺等的分化发育则需要睾酮转化为DHT发挥作用。

3.类固醇激素生成过程中起调节作用的基因和蛋白经过多年研究，几种调节细胞内胆固醇快速转运的蛋白已经明确：类固醇载体蛋白2（sterol carrier protein，SCP2），类固醇生成活化因子多肽（steroidogenesis activator polypeptide，SAP），外周苯二氮受体（peripheral benzodiazepine receptor）和类固醇生成快速调节因子蛋白（steroidogenic acute regulator protein，StAR-protein）。其中研究最多的就是StAR-protein。StAR可促进类固醇的生成并使其进入线粒体内。cAMP可以在加速StAR的mRNA和蛋白快速生成的同时，也快速增加胆固醇的生成。StAR基因突变引起的终止密码子过早表达可以导致类固醇生成障碍的疾病，这是一种常染色体隐性遗传病，叫做先天性脂质肾上腺增生症（congenital lipoid adrenal hyperplasia）。肾上腺和性腺内类固醇生成过程中，通过StAR介导胆固醇进入线粒体，而胎盘和脑组织中则不是如此。胎盘和脑组织中并未观察到有StAR的表达，说明这些组织中存在其他胆固醇转运机制。未进入线粒体的StAR是一个含有285个氨基酸的蛋白，当被转运至线粒体后，其N-端的25个残基序列即被裂解下来。而发生突变的StAR就不会出现这种裂解。

四、类固醇激素的代谢

性激素均为脂溶性物质，经过肝脏的代谢后转变为水溶性物质，然后通过肾脏，从尿液中排出体外。雄激素大部分经代谢后以17-酮类固醇形式从尿中排泄。所谓的“雌激素肝肠循环”即是雌激素降解为雌三醇葡萄糖醛酸盐或者硫酸盐经肾脏排泄，其中1/4雌激素经过肝脏时与胆汁一同排入肠道，进入肠道内的雌激素可被再次吸收入血而再次利用。余下极少部分未被肠道吸收的雌激素从肠道排泄出去。孕激素也同样经过肝脏代谢后，从肾脏排泄。