11. Нейрогуморальная регуляция

Многоклеточные организмы, состоящие из огромного числа различ-ных типов тканей и органов, нуждаются в регуляции взаимодействия меж-ду ними для нормального функционирования в нестационарных условиях. В основе этой регуляции всегда лежат молекулярные механизмы. Превра-щения субстратов регулируются ферментами как за счёт концентрацион-ных факторов по закону действующих масс, так и с участием регулятор-ных ферментов, изменяющих каталитическую активность под действием эффекторов (ингибиторов или активаторов), а это уже регуляция по прин-ципу обратной связи. Однако только такими простыми взаимосвязями нельзя обеспечить даже простое существование сформировавшегося мно-гоклеточного организма в постоянно изменяющихся условиях и уж тем более его развитие с дифференциацией эмбриональных клеток в различные органы и ткани.

Более сложная регуляция, которая также основана на обратной связи, осуществляется нервной системой с участием специальных веществ, по-скольку иннервация каждой клетки организма несколькими типами нерв-ных окончаний просто невозможна. В общем случае эти регуляторные молекулы по их функциям можно классифицировать на три группы:

• гормоны

• факторы роста и цитокины

• нейромедиаторы.

Более всего известны классические регуляторные молекулы – гормоны. Многие из них содержатся в организме в сравнительно больших количествах, и поэтому они были выделены и стали известны уже давно. У животных гормоны образуются в специальных клетках, собранных в железы внутренней секреции (эндокринные железы), которые выделяют их прямо в кровь (у насекомых в гемолимфу). Этим железы внутренней секреции отличаются от других железистых органов, выделяющих свои секреты в протоки, которые так или иначе связаны с внешней средой (поджелудочная железа имеет экзокринную и эндокринную функцию). Разносимые кровью по всему организму гормоны находят свои клетки-мишени на значительном удалении от секретирующей их железы.

Факторы роста – это регуляторные молекулы (у животных белковой природы). Они отличаются от гормонов тем, что их выделяют не специа-лизированные клетки желез, а клетки тканей или отдельные самостоятель-ные клетки (тромбоциты, лейкоциты). Большинство факторов роста парак-ринны, т.е. они предназначены для передачи сигнала на коротком рассто-янии в пределах одного органа, а есть и аутокринные факторы роста, которые стимулируют сами выделяющие их клетки. В рамках такой клас-сификации к факторам роста следует, очевидно, относить и фитогормоны, т.е. вещества, управляющие ростом и дифференциацией клеток растений. В качестве примера таких регуляторных молекул у теплокровных можно назвать фактор роста из тромбоцитов, который выделяется и из многих других клеток, эпидермальный фактор роста, колонийстимулирующие факторы роста (стимулируют рост колоний некоторых лейкоцитов, поэто-му их называют также интерлейкинами). Термин «цитокины» относится к факторам роста, участвующим в иммунных ответах.

Регуляция высвобождения факторов роста протекает по многим меха-низмам. Они участвуют в процессе развития, репарации повреждённых клеток, в их дифференциации, но точные данные о всех взаимодействиях на этом уровне пока не получены.

Нейромедиаторы участвуют в работе клеток нервной ткани – ней-ронов, они передают сигнал от нервного окончания на конце отходящего от нейрона отростка (аксона) на иннервируемую клетку.

Регуляторная система организма находится под иерархическим конт-ролем, где основная роль принадлежит нервной системе, которая таким образом через нервные окончания (с участием нейромедиаторов) и посту-пающие в жидкие среды организма (по лат. humor – жидкость) гормоны управляет всеми функциями организма (отсюда термин нейрогуморальная регуляция).

Рецепторные клетки кожи, слизистых оболочек, органов чувств, хемо-рецепторы внутри организма постоянно сообщают в центральную нервную систему (ЦНС) об изменениях в окружающей среде, в составе крови, в работе органов. ЦНС анализирует поступающую информацию обычно на бессознательном уровне и выдаёт адекватные команды через нейроны или с помощью регуляторных молекул. В начале гормональной регуляции лежит специализированный отдел головного мозга, называемый гипотала-мусом. Это одна из первичных и наиболее жизненно важных частей мозга. Гипоталамус (подбугорье) с помощью регуляторных молекул, называемых либеринами или рилизинг-факторами, по принципу обратной связи управ-ляет работой гипофиза – дирижёра работы всей эндокринной системы организма. Гипофиз человека весит 0,5-0,6 г. Он связан с гипоталамусом короткой ножкой и состоит из трёх гистологически различных частей – передней доли, промежуточной и задней доли. Передняя доля состоит из железистых клеток, работой которых управляют либерины, поступающие по кратчайшему пути из гипоталамуса по кровеносным сосудам в ножке. Задняя доля гипофиза состоит из нервных клеток, гормоны гипоталамуса поступают сюда по отросткам нейронов – аксонам.

Гормоны передней доли гипофиза, стимулирующие работу желез внутренней секреции, называются тропинами или тропными гормонами. Принцип обратной связи состоит в том, что выделяемые железами внут-ренней секреции гормоны тормозят выделение как либеринов, так и тропи-нов. Правда, здесь нет такой чёткой иерархии и не все железы внутренней секреции находятся под контролем гипоталамуса с участием либеринов. Так, например, активность задней доли гипофиза, секретирующей оксито-цин и вазопрессин, регулируется по другим механизмам, а передняя доля гипофиза секретирует самостоятельный гормон – соматотропин (его секре-ция тормозится соматостатином – гормоном из гипоталамуса). В поджелу-дочной железе секреция инсулина (-клетки) и глюкагона (-клетки) напрямую зависит от уровня сахара в крови, но это не значит, что в регуляции уровня глюкозы в крови не участвует ЦНС. Кроме инсулина и глюкагона образование и расходование глюкозы контролируют некоторые другие гормоны. Под прямым контролем со стороны ЦНС находятся клетки мозгового вещества надпочечников, содержащие везикулы (пузырь-ки) с адреналином и норадреналином (около 20%) и АТФ (около 4%). По команде ЦНС в течение нескольких секунд происходит выброс адреналина за счёт экзоцитоза и его концентрация в крови возрастает на три порядка (от 10^-10 до 10^‑7 моль/л). Обычная концентрация гормонов в крови от 10^-12 до 10^-9 моль/л.

В качестве примера классической регуляции по схеме:

гипоталамус  гипофиз  железа внутренней секреции

можно привести цепочку:

тиролиберин  тиреотропин  тироксин

Тиролиберин представляет собой трипептид – пироглутамил-гистидинил-пролинамид:

Гормональная активность этого вещества поразительна. Его содержа-ние в гипоталамусе настолько мало, что для установления его строения из 4 т гипоталамуса животных был выделен всего лишь 1 мг этого вещества. При введении его в организм в микрограммовых дозах секреция тиротро-пина, который представляет собой гликопротеин с молекулярной массой около 28 кД, возрастает уже через несколько минут. Метилирование тиро-либерина в положение 1 имидазольного кольца или замена амидной груп-пы в пролиновом фрагменте на карбоксильную снижает активность тиро-либерина в несколько тысяч раз, а метилирование имидазольного кольца в положение 3 повышает активность. Интересно, что этот необычный три-пептид сравнительно устойчив к действию протеаз пищеварительной системы, поскольку он сохраняет активность и при приёме через рот.

В ответ на секрецию тиротропина гипофизом щитовидная железа выделяет в кровь тироксин и трииодтиронин, образующиеся из тирози-новых фрагментов в специально предназначенной для этого белковой молекуле:

По химической природе гормоны, продуцируемые железами внутрен-ней секреции, относятся к трём типам соединений. Они могут быть пепти-дами, производными тирозина или стероидами. Растворимые в воде пепти-ды и гормоны на основе тирозина не проходят через клеточные мембраны. Их действие опосредовано рецепторными белками на внешней стороне клеток. Они, как в случае инсулина, могут работать в комплексе с транс-портными белками или же действовать через специальные внутриклеточ-ные белки (G-белки) на фермент, синтезирующий внутриклеточный регулятор (его называют мессенджером). Гормоном, действующим через G-белки, является, например, адреналин. Связываясь с адренорецептором, он запускает механизм образования активного комплекса из ГТФ и G‑белка, и уже этот комплекс включает работу аденилатциклазы, катализи-рующей образование цАМФ (это и есть мессенджер) из АТФ. Действие активированного G‑белка ограничено по времени, так как он обладает гидролазной активностью. Вследствие этого связанный с G-белком ГТФ разлагается на ГДФ и фосфат, а комплекс G-белка с ГДФ неактивен.

В отличие от пептидов и производных тирозина стероиды достаточно легко проходят через клеточные мембраны. Их рецепторы представлены растворёнными в цитоплазме белками, которые связаны с белками тепло-вого шока (Hsp). Обычно белки Hsp управляют организацией пространст-венной структуры синтезируемого на рибосоме белка (за это их называют также шаперонами, от франц. – гувернантка). Гормон, проникший через мембрану в клетку, связывается с рецепторным белком, который вместе с белком теплового шока или уже без него проникает в ядро и связывается с соответствующим участком ДНК, активируя его. Однако для активации ДНК обязательно надо, чтобы белок теплового шока отошел от комплекса рецептора и гормона. Активация ДНК включает транскрипцию с образова-нием мРНК, мРНК выходит из ядра и поступает в рибосомы, где начина-ется синтез белка (трансляция), образование которого и должен был запустить гормон.

Из этого следует, что действие растворимых в воде гормонов про-является в очень короткие сроки (до нескольких секунд, как у адреналина), тогда как стероидные гормоны проявляют своё действие через достаточно медленно текущие процессы. Нерастворимые в воде гормоны чаще всего регулируют синтез белков (ферментов, транспортных белков, структурных белков), поэтому их эффект может проявиться и через несколько дней.

Из пептидных гормонов более других изучен, конечно, инсулин, а также вазопрессин, окситоцин, соматотропин, ангиотензин.

Недостаток инсулина или ослабленная реакция на инсулин со стороны клеток являются причиной сахарного диабета (в США каждый двадцатый имеет нарушения в обмене глюкозы), диабет является третьей по частоте причиной смерти (после сердечно-сосудистых заболеваний и рака). При диабете происходит серьёзное отклонение от нормы в составе мочи и кро-ви. Для усиления транспорта глюкозы в клетки у организма остаётся одна единственная возможность – повышение её концентрации в крови, но поч-ки не рассчитаны природой на этот вариант, и «лишняя» глюкоза попадает в мочу. Кроме повышенной концентрации глюкозы (в сутки с мочой может уходить до 100 г глюкозы), в моче диабетиков повышена концентрация так называемых кетоновых тел (ацетоацетата, ацетона и ‑гидроксибутирата), мочевины, ионов аммония (это всё побочные продукты образования глю-козы из аминокислот), натрия (рН мочи у диабетиков понижен). Выде-ляющийся с выдыхаемым воздухом ацетон имеет характерный орга-нический запах похожий на запах перегара. Диабетики пьют много воды, поскольку для выведения всего набора необычных отходов их жизнедея-тельности её расход увеличивается.

Антагонистом инсулина является глюкагон – полипептидный гормон, секретируемый поджелудочной железой, но клетками α-типа. Его эффект аналогичен действию адреналина, однако в отличие от него глюкагон не влияет на частоту сердечных сокращений и на давление крови.

Выделяемый передней долей гипофиза гормон соматотропин – белок с молекулярной массой около 21 кД – регулирует вес и рост тела. Кроме того, соматотропин сложным образом регулирует секрецию инсулина и глюкагона, поэтому его используют для лечения некоторых форм сахар-ного диабета. Недостаток соматотропина приводит к карликовости, а избы-ток к гигантизму. Если усиленное выделение соматотропина происходит во взрослом возрасте – то это вызывает акромегалию, слоновую болезнь.

Вазопрессин повышает кровяное давление, его недостаток вызывает так называемый «несахарный диабет», это нонапептид формулы

или

Вазопрессин регулирует работу почек, он управляет обратным всасы-ванием воды в почках (вместе с необходимыми организму веществами). При недостатке этого гормона почки выделяют до 10 л в день сильно разбавленной мочи.

Окситоцин вызывает сокращение гладкой мускулатуры, и его приме-няют для стимуляции родов, по строению он похож на вазопрессин:

или

Тонус кровеносных сосудов регулируется ангиотензином. Этот гор-мон также участвует в регуляции работы почек. Аминокислотная последо-вательность активного ангиотензина II входит в состав белка ангио-тензиногена (см. с. 200). При повышенном давлении (гипертонии) можно получить положительный эффект за счёт снижения уровня активности это-го гормона. Во всех клетках содержатся гидролазы, расщепляющие его, но их активация с целью снижения уровня ангиотензина II проблематична. В лекарственных целях блокируют превращение ангиотензина I в ангиотен-зин II. Для этого используют имитирующие пептиды вещества (пептидо-миметики), первым из которых был каптоприл – ацилированный меркапто-изомасляной кислотой пролин:

Вторая формула представляет одно из современных средств из группы блокаторов ангиотензинконвертирующего фермента – эналаприл (энап).

Ангиотензин II действует также на надпочечники, стимулируя выде-ление альдостерона, что приводит к задержке в организме ионов натрия.

Гипоталамус с участием кортиколиберина через адренокортикотроп-ный гормон гипофиза (АКТГ, пептид из 39 аминокислот, период его полу-превращения в организме около 10 минут) регулирует работу внешнего (коркового) слоя клеток ещё одной важной парной железы – надпочеч-ников. Клетки внутренней (мозговой) части надпочечников секретируют адреналин, а клетки внешнего (коркового) слоя секретируют гормоны сте-роидной природы, которые участвуют в регуляции углеводного обмена и водно-солевого баланса – глюкокортикоиды и минералокортикоиды:

Здесь приведены три типичных представителя кортикостероидов, всего их известно около 30. Все эти гормоны обладают как глюкокортико-идной, так и минералокортикоидной активностью, но у кортизола более выражена глюкокортикоидная активность, у альдостерона – минералокор-тикоидная, а кортикостерон в равной мере обладает обеими видами актив-ности. Кортизол стимулирует образование глюкозы из аминокислот (глю-конеогенез) и обладает противовоспалительной и противоаллергической активностью. Избыток кортизола в организме приводит к потере мышеч-ной массы, быстрой утомляемости; при общей худобе лицо у человека становится пухлым, круглым (болезнь Кушинга). Минералокортикоиды вызывают задержку ионов натрия в организме и потерю ионов калия с мочой. Недостаточная секреция гормонов коры надпочечников приводит к аддисоновой болезни, характеризующейся слабостью, подверженностью к стрессам и к инфекциям, кожа приобретает характерный смуглый оттенок (бронзовая болезнь).

Лекарственное применение кортикостероидов осложнено нарушением гормонального баланса организма из-за реализации принципа обратной связи (их длительное введение в виде лекарства может привести к атрофии надпочечников). Сейчас в основном стараются использовать их в виде средств местного действия и для этого уменьшают их растворимость и сродство к транспортным белкам за счёт введения атомов фтора и гидрофобизации:

Ещё одна группа стероидных гормонов представлена мужскими (анд-рогены) и женскими (эстрогены и гестагены) половыми гормонами. Кора надпочечников, семенники и яичники имеют общее эмбриональное проис-хождение, поэтому в разных количествах мужские и женские половые гормоны выделяются всеми этими типами тканей, т.е. их действие зависит от соотношения между ними.

Уровень половых гормонов также контролируется гипоталамусом и гипофизом через лютеинизирующий гормон (в женском организме) и гонадотропины.

Половые гормоны определяют внешние половые признаки – мужские или, соответственно, женские. Они регулируют процессы роста, поддержи-вают функционирование репродуктивной системы. Андрогены стимули-руют рост скелетных мышц и поэтому их часто называют анаболическими гормонами. Эти свойства привлекают внимание фармакологов, поскольку разделение анаболической и андрогенной активности перспективно не только с целью получения анаболических допингов для спортсменов, но и с фармакологической точки зрения для лечения некоторых видов мышеч-ных слабостей (астенические синдромы).

Эффективным анаболиком оказался, например, 19-нортестостерон, который в виде его эфира с фенилпропионовой кислотой используется на практике под названием феноболин (использование его спортсменами запрещено):

Эффективный стероидный анаболик 20-гидроксиэкдизон содержится в некоторых растениях (левзея сафлоровидная):

Тестостерон и особенно метилтестостерон задерживают развитие рака молочных желез, но побочный андрогенный эффект этих гормонов не позволяет использовать их для лечения этого заболевания.

Точно также женский половой гормон эстрадиол был бы неплохим средством для лечения атеросклероза, но и здесь связанное с ним появ-ление женских вторичных половых признаков исключает возможность применения его для этих целей. Тем не менее, женские половые гормоны используются в медицинской практике для восполнения их недостатка после удаления яичников или в менопаузе. Однако наиболее широкое при-менение нашли они в качестве пероральных противозачаточных средств (контрацептивов). В этом случае экзогенные гормоны не вызывают интен-сивной перестройки гормональной системы или атрофии генерирующих их тканей (как это было отмечено в случае кортикостероидов), так как периодические колебания их концентрации в крови характерны для жен-ского организма. Наиболее эффективны сочетания эстрогенов и гестагенов (гормонов жёлтого тела). Здесь были приложены колоссальные усилия по поиску оптимальных структур аналогов и их дозировки. В качестве эстро-гена в составе этих средств чаще всего используется этинилэстрадиол, а в качестве гестагена – прегнин:

Принцип действия этих противозачаточных средств основан на созда-нии гормональной среды, характерной для состояния беременности, когда овуляция прекращается. Гормональные противозачаточные средства при-нимаются при врачебном контроле, а современные препараты вообще состоят из двух или трёх различных таблеток – эстрогена, гестагена и, желательно, гормонов гипофиза и гипоталамуса. Причем их дозы подби-раются наблюдающим врачом с учетом гормонального статуса принимаю-щей их женщины.

В общем случае надо понимать, что нормальный предусмотренный природой жизненный цикл женского организма представляет собой чере-дование периода беременности и кормления ребенка грудью без «про-стоев». Иначе говоря, как раз менструация – это ненормальность (недаром она так болезненна). Регулирующий лактацию и, как это всегда бывает у гормонов, многие другие функции, включая проявление материнского ин-стинкта, гипофизарный гормон белоковой природы пролактин в период беременности и активного кормления грудью (его концентрация при этом возрастает от 5-10 до 200 нг/мл) препятствует овуляции. Именно поэтому раньше длительное, до двух-трёх лет, кормление ребенка грудью было лучшим естественным противозачаточным средством. Однако применение пролактина в качестве лекарственного средства вряд ли возможно из-за проблем, связанных с необходимостью равномерного введения высокомо-лекулярного белка (23-24 кД) и с активизацией им процесса лактации.

Гормоны регулируют также рост и развитие насекомых. Лучше всего у этих представителей животного мира изучены гормоны линьки. Рост насекомого с его жёстким экзоскелетом (кутикулой) возможен только после освобождения от ставшей тесной старой кутикулы с формированием новой более просторной. Сам процесс линьки запускается гормоном стероидной природы – экдизоном:

Высшие насекомые, проходящие несколько фаз развития (яйцо, личинка, куколка, имаго), претерпевают так называемый метаморфоз – переход из одной фазы развития в другую. А это уже регулируется юве-нильными гормонами: при их присутствии в гемолимфе личинки линька не сопровождается метаморфозом. Приведена структура одного из ювениль-ных гормонов ЮГ-III:

Ювенильные гормоны выделяются специальной железой, которая после прохождения личинкой нескольких линек атрофируется и тогда в следующей линьке личинка претерпевает метаморфоз. Атрофия клеток железы может быть ускорена веществами, которые легко образуют реакци-онноспособные эпоксиды. В этом случае число линек сокращается и ли-чинки превращаются в карликовые формы имаго. Такой эффект проявля-ют, например, прекоцены (от лат. рrecoce – преждевременно), содержащи-еся в некоторых растениях. Показано, что ферментные системы насекомых окисляют их с образованием эпоксидов, например:

которые, очевидно, и вызывают преждевременную деградацию клеток железы, генерирующей ювенильные гормоны.

Образование ювенильных гормонов блокируется, например, лактоном фтормевалоновой кислоты (их биоситез, как и других изопреноидов, идёт через мевалоновую кислоту, см. с. 191):

Агонистами ювенильных гормонов (их называют ювеноидами) явля-ются очень многие вещества, например метопрен:

При действии фтормевалоната личинка, как и при действии прекоце-нов, преждевременно претерпевает метаморфоз и превращается в неполно-ценную карликовую форму взрослого насекомого, которое не может дать потомства, а действие метопрена приводит к тому, что личинка не пре-вращается в имаго и также не может дать потомства. С точки зрения про-изводителя сельскохозяйственной продукции преждевременный метамор-фоз активно питающейся личинки, конечно, предпочтительнее, но фтор-мевалонат малоактивен, а получить антагонист ювенильных гормонов так и не удалось.

Особого разговора заслуживают фитогормоны – вещества, регули-рующие рост и развитие растений, однако в приведённой в начале раздела классификации веществ, участвующих в гуморальной регуляции, расти-тельные гормоны скорее всего надо относить к факторам роста, поскольку их образование идёт не в специализированных клетках (клетках желез), а в клетках меристемы (это растительный аналог эмбриональной ткани), в клетках корней, листьев, т.е. в обычных тканях растений. Более всего известны стимулирующие рост и клеточное деление ауксины, цитокинины и гиббереллины:

К фитогормонам, управляющим состоянием покоя, относятся этилен и абсцизовая кислота:

В регуляции роста и развития растений очень важную роль играет сочетание различных концентраций гормонов и их взаимное влияние. Так, например, повышенная концентрация стимулятора роста ауксина (индо-лилуксусная кислота) приводит к образованию ингибитора роста этилена.

Образующийся в меристемной ткани ауксин стимулирует рост корне-вой системы, а цитокинин (производное аденина), образующийся в корнях, стимулирует клеточное деление. Разные концентрации двух этих гормонов роста – ауксина и цитокинина – определяют рост и дифференциацию кле-ток меристемной ткани.