Основные особенности эволюции гормональных регуляторных механизмов

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

НУО «Казахстанско - Российский Медицинский Университет»

Кафедра нормальной физиологии

СРС

На тему: «Основные особенности эволюции гормональных регуляторных механизмов»

Выполнила: Ташметова А.

Проверила: Курилова Д.Ш

Алматы 2015



Регулирование жизненных функций организма

Вехи истории

1637 -- Р. Декарт (R. Descartes, Франция) сделал попытку проникнуть в сущность произвольных и непроизвольных движений. Дал первое описание рефлекса (но не использовал этого слова).

1784 -- И. Прохазка (J. Prochaska, Чехия) развил представление о рефлексе (и предложил этот термин), рефлекторной дуге, нервной системе как посреднике между внешней средой и организмом.

1832 -- М. Голл и И. Мюллер (М. Goll, J. Muller, Германия) изложили учение о рефлексе.

1855 -- К. Бернар (С. Bernard, Франция) предположил, что железы выделяют в кровь «внутренние секреты», оказывающие действие на весь организм. В 1857 г. открыл существование постоянства внутренней среды организмов и ее значение для поддержания жизни.

1863 -- И. М. Сеченов (Россия) в книге «Рефлексы головного мозга» распространил принцип рефлекторной реакции на психическую деятельность и поведение человека.

1897 -- Ч. Шеррингтон (Ch. Sherrington, Великобритания) ввел понятие «синапс».

1902 -- в докладе из лаборатории И. П. Павлова впервые заявлено о существовании условных рефлексов.

1902 -- У. Бейлисс и Э. Старлинг (W. Bayliss, E. Starling, Великобритания) открыли секретин -- первый из гормонов, и таким образом, основали эндокринологию. В 1905 г. по предложению У. Харди (W.Hardy, Великобритания) Старлинг назвал новую группу веществ «гормонами».

1906 -- Ч. Шеррингтон разработал концепцию интегративных процессов в нервной системе.

1908 -- И. И. Мечников (Россия) и П. Эрлих (Р. Ehrlich, Германия) -- Нобелевская премия за создание теории иммунитета.

1923 -- А. А. Ухтомский (СССР) создал учение о доминанте.

1928 -- Э. Шаррер (E. Scharrer, Германия) ввел понятие «нейросекреторная клетка», но его взгляды получили признание только в 1960--е годы.

1929 -- У. Кеннон (W. Cannon, США) ввел понятие о гомеостазе.

1930--е -- П. К. Анохин (СССР) высказал идею об «акцепторе результата действия» и, таким образом, открыл существование обратной связи в физиологических процессах (но не использовал этого термина).

1931 -- У. фон Эйлер и Дж. Гаддам (U. v. Euler, J. Gaddam, Швеция) открыли субстанцию Р -- первый из регуляторных пептидов.

1932 -- Ч. Шеррингтон и Э. Эдриан (E. Adrian, Великобритания) -- Нобелевская премия за открытие роли рецепторов, чувствительных и двигательных нервов, передачи информации в виде электрических импульсов.

1936 -- О. Лёви (О. Loewi, Австрия) и Г. Дейл (Н. Dale, Великобритания) -- Нобелевская премия за открытие механизма синаптической передачи.

1936 -- Г. Селье (Н. Selye, Канада) открыл феномен стресса и описал общий адаптационный синдром и болезни адаптации.

1941.-- Н. А. Бернштейн (СССР) в трудах по физиологии движений предвосхитил некоторые последующие идеи кибернетики, создал схему рефлекторного кольца.

1947 -- Б. Усай (В. Houssay, Аргентина) -- Нобелевская премия за исследования гормонов передней доли гипофиза.

1948 -- Н. Винер (N. Wiener, США) создал новую науку -- кибернетику.

1949 -- В. Хесс (W. Hess, Швейцария) -- Нобелевская премия за открытие гипоталамических центров регуляции автономных функций.

1949 -- в книге У. Кеннона и А. Розенблюта (A. Rosenblueth, Мексика) описан закон денервации, повышение чувствительности денервированных структур.

1950 -- Э. Кендалл (Е. Kendall, США), Т. Рейхштейн (Т. Reichstein, Швейцария) и Ф. Хэнч (Ph. Hench, США) -- Нобелевская премия за открытие кортикостероидов.

1955 -- В. Дю Виньи (V. Du Vigneaud, США) -- Нобелевская премия по химии за впервые осуществленный синтез пептидного гормона -- окситоцина.

1971 -- Э. Сазерленд (Е. Sutherland, США) -- Нобелевская премия за открытие вторичных мессенджеров (посредников).

1977 -- Р. Гиймен и Э. Шалли (R. Guillemin, A. Schally, США) -- Нобелевская премия за открытие рилизинг--гормонов гипоталамуса.

1978 -- А. Пирс (A. Pearse, Великобритания) открыл существование диффузной эндокринной системы (APUD--системы).

1979 -- А. Кормак (A. Cormack, США) и Г. Хаунсфилд (G. Hounsfield, Великобритания) -- Нобелевская премия за разработку метода компьютерной томографии.

1980 -- А. Д. Ноздрачев (СССР) ввел понятие метасимпатическая нервная система (МНС) и определил ее роль в регуляции висцеральных функций.

1986 -- С. Коэн (S. Cohen, США) и Р. Леви--Монтальчйни (R. Levi--Montalcini, Италия--США) -- Нобелевская премия за открытие пептидных факторов роста.

Выживание организма в условиях непрерывно меняющейся среды обусловлено способностью живых систем сохранять свое стационарное состояние. Для обеспечения такого состояния у всех организмов -- от простых до самых сложных -- существуют различные анатомические, физиологические и поведенческие приспособления. Все они направлены на поддержание постоянства внутренней среды. Положение же о том, что именно постоянство внутренней среды определяет оптимальные условия для жизни и размножения организма, было высказано великим французским физиологом Клодом Бернаром в 1857 г.

Организм находится в состоянии непрерывного приспособления к условиям окружающей среды. Его существование было бы невозможно, если бы он не реагировал адекватным образом на недостаток кислорода или пищи, избыток углекислого газа или других многочисленных вредоносных агентов. Каждый животный организм представляет собой сложную обособленную систему, внутренние силы которой каждый момент, покуда она существует как таковая, уравновешиваются с внешними силами окружающей среды... Таким образом, вся жизнь от простейших до сложнейших организмов... есть длинный ряд все усложняющихся до высочайшей степени уравновешиваний внешней среды» (И. П. Павлов). Совокупность физиологических процессов, обеспечивающих это уравновешивание организма со средой, относится к явлениям регуляции. В основе явлений регуляции лежит взаимосвязь всех органов и функциональных систем организма между собой.

Для обеспечения относительно стабильной активности организма необходима регуляция систем его жизнеобеспечения на всех уровнях -- от молекулярного до организации и условиям жизни данного вида. В этом отношении млекопитающие лучше оснащены, нежели беспозвоночные или простейшие.



Существующие у живых организмов механизмы и способы регуляции функций имеют ряд принципиально общих черт с подобными устройствами в неживых системах, таких как машины. И у тех, и у других стабильность достигается благодаря существованию определенных форм управления. Эти формы управления Норберт Винер назвал в 1948 г. кибернетикой (от греч. kybernetike --искусство управления). Именно кибернетика занимается сейчас изучением общих закономерностей регулирования в живых и неживых системах.

Для объяснения механизмов, лежащих в основе функционирования биологических регуляторных систем, как правило, прибегают к привлечению математических моделей теории управления. Следовательно, прежде чем рассматривать процесс регулирования жизненных функций, необходимо в сугубо общих чертах ознакомиться с некоторыми положениями теории управления.

Как известно, живые системы рассматриваются как открытые системы. Для поддержания своего состояния они нуждаются в непрерывном обмене веществами с окружающим миром и находятся в динамическом равновесии с ним. Для этого необходим постоянный приток энергии. Равновесие устанавливается только после гибели организма, когда он становится термодинамически стабильным по отношению к среде.

В любой управляющей системе мерой эффективности является степень отклонения регулируемого параметра от оптимального (должного) уровня и скорость возвращения к этому уровню. Еще одним непременным условием работы любого механизма является свобода колебаний. Эти условия исключительно важны, так как именно колебания активируют систему управления и возвращают переменную к оптимальной величине. Такие системы, предусматривающие соединение компонентов, при котором выход регулируется входом, действуют по принципу обратной связи.

Принято рассматривать два вида обратной связи -- отрицательную и положительную. В открытых живых системах более распространена первая. Принцип ее организации легко рассмотреть на примере поддержания постоянства температуры тела, регуляции артериального кровяного давления, регуляции напряжения кислорода, уровня кортикостероидов или других гормонов в крови. Остановимся на регуляции кортикостероидов надпочечником. В этом случае модулятор состоит из трех компонентов -- детектора (гипоталамуса), регулятора (гипофиза) и эффектора (коры надпочечника). При нарушении равновесия системы возникает ряд последствий, которые приводят к устранению этого нарушения и к возвращению системы в исходное состояние (рис. 2.1).

В отличие от отрицательной, положительная обратная связь у биологических объектов встречается относительно редко. Связь эта приводит к нестабильности системы и экстремальным ситуациям, сопровождаясь такими последствиями, которые углубляют исходное состояние. Наличие положительной обратной связи легко рассмотреть на примере распространения нервного импульса по волокну. Как известно, деполяризация нейрона повышает проницаемость мембраны для Na+ Ионы Na+ входят в аксон через мембрану и углубляют деполяризацию. Деполяризация в свою очередь приводит к возникновению потенциала действия. Положительная обратная связь в этом случае играет роль усилителя ответа, величину которого ограничивают иные механизмы.

Рассмотренные механизмы обратной связи являются простейшими; реально в организме используются значительно более сложные регуляторные устройства, включающие дополнительные детекторы типа физиологических систем раннего предупреждения, или в случае отказа исполнительных структур включаются дополнительные эффекторы. Действуют эти системы связи на разных уровнях управления. Множественные детекторы и эффекторы обеспечивают дополнительную надежность регуляции таких исключительно важных показателей, как, например, артериальное давление.



Совершенствование регуляторных механизмов в процессе эволюции

Древнейшая форма взаимодействия между клетками многоклеточных органов -- химическое влияние, осуществляющееся посредством продуктов обмена веществ, которые выделяются в жидкости организма. В этом случае все многообразие физиологически активных соединений, образующихся в процессе жизнедеятельности органов, тканей и клеток, включая продукты распада белков, углекислый газ, электролиты и др., лежит в основе гуморальных механизмов связи между органами.

Межклеточное (креаторное) взаимодействие через микроокружение тканей -- один из наиболее эволюционно старых способов регуляции в организме. Оно осуществляется макромолекулами, несущими информацию, необходимую для регулирования внутриклеточного синтеза определенных молекул белка для обеспечения дифференцировки, роста, развития и объединения клеток в ткани. К веществам, обеспечивающим такого рода местную гуморальную регуляцию, можно отнести кейлоны -- белки или гликопротеиды, способствующие подавлению деления клеток и синтеза ДНК. Возможно, нарушение креаторных связей обусловливает патогенез опухолевого роста и других заболеваний.

Местные регуляторные эффекты метаболитов неспецифичны и сводятся к регуляции обменных процессов и функции органов -- источников их возникновения. Так, избыток молочной и пировиноградной кислоты при интенсивной мышечной работе угнетает сократительную способность мышц и в то же время приводит к увеличению в них кровотока (рабочей гиперемии), интенсификации метаболизма этих недоокисленных продуктов.

Гуморальные связи, общие и для мира животных, и для растений, характеризуются рядом особенностей. Во--первых, относительно медленным распространением химического вещества. Во--вторых, отсутствием точного адреса, по которому следует соединение, поступающее в кровь, лимфу или тканевую жидкость. Его действие не локализовано, не ограничено определенным местом и, следовательно, диффузно. И наконец, в--третьих, малой надежностью связи, поскольку вещество высвобождается в малых количествах и обычно быстро разрушается или выводится из организма.

Кроме того, физиологически активные вещества, разносясь током крови по всему, организму, только в определенных местах, в результирующих органах или клетках--мишенях, вызывают целенаправленные специфические реакции при взаимодействии с эффекторами или соответствующими рецепторными образованиями.

В процессе эволюции животного мира механизмы гуморальной регуляции постепенно дополнялись более сложными и более совершенными механизмами нервной регуляции функций. Более того, по мере совершенствования живых систем гуморальные связи все более подчиняются нервному влиянию. Устанавливается фактически неразделимое взаимодействие, между гуморальными и нервными компонентами регуляторного процесса -- единая система взаимосвязанных нейрогуморальных отношений.

Доминирование у высокоорганизованных существ нервных механизмов регуляции функций не означает редукции гуморальной системы связи. На следующем этапе развития живых существ появляются специальные органы -- эндокринные железы, вырабатывающие гуморально действующие вещества -- гормоны. Их действие зачастую весьма специализировано.

Доказано также, что в окончаниях нервных волокон, образующих синаптические контакты с мышцами или другими нервными клетками, высвобождаются посредники, переносчики нервного влияния, или медиаторы (трансмиттеры), которые действуют на специализированные системы рецепторов и тем самым осуществляют исполнительный акт. Влияние гуморальных веществ на клетки осуществляется и непосредственно на рецепторы, регулирующие проницаемость ионных каналов поверхностных мембран, и косвенно через ряд промежуточных инстанций, и, в частности, через образование циклических нуклеотидов (аденозин-- или гуанидин--5 монофосфат) -- внутриклеточных посредников.

Известны четыре системы вторичных посредников: 1 -- аденилатциклаза -- циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), 2 -- гуанилатциклаза -- циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ), 3 -- фосфолипаза С -- инозитолтрифосфат (ИФ), 4 -- ионизированный кальций.

Нервная регуляция как высший этап развития приспособления организма к меняющимся условиям среды. В прошлом некоторые исследователи противопоставляли нервную регуляцию функций гуморальной. Сторонники гуморального направления игнорировали и сводили к минимуму роль нервных связей, в то время как представители нервной теории стремились опровергнуть наличие сколько--нибудь существенного химического взаимодействия между тканями организма. Современная физиология полностью отвергает противопоставление отдельных видов регуляции.

В многочисленных экспериментах показано, что разнообразные продукты обменных реакций могут действовать как раздражители не только непосредственно на мембраны клеток, но и на нервные окончания -- хеморецепторы, вызывая рефлекторным путем определенные физиологические и биохимические сдвиги.

Так, многие передатчики нервного влияния -- медиаторы, выполнив свою основную роль и избежав ферментативной инактивации или обратного захвата нервными окончаниями, попадают в кровь, осуществляя дистантное (немедиаторное) действие. Проникая через гистогематические барьеры, они поступают в органы и ткани и регулируют их жизнедеятельность. Состояние самой нервной системы зависит не только от информации из окружающей и внутренней среды, но и от снабжения кровью и от различных ингредиентов внутренней среды.

При этом имеет место теснейшая взаимосвязь и взаимообусловленность нервных и гуморальных процессов. Так, нейросекреторные клетки гипоталамических ядер являются местом трансформации нервных стимулов в гуморальные, а гуморальных в нервные. Помимо разнообразных медиаторов в мозгу синтезируются многочисленные пептиды и другие активные соединения, принимающие участие в регуляции деятельности головного и спинного мозга, а при поступлении в кровь -- всего организма. Таким образом, и мозг тоже можно назвать эндокринной железой.

Физиологическая активность жидких сред организма обусловлена в значительной степени соотношением электролитов и микроэлементов, состоянием синтезирующих и расщепляющих ферментных систем, наличием активаторов и ингибиторов, образованием и распадом сложных белково--полисахаридных комплексов, связыванием и высвобождением субстратов несвязанных форм и т. д.

Важную роль в нейрогуморальной регуляции функций играют гормоны, разнообразные продукты промежуточного обмена, объединяемые под названием метаболиты, тканевые гормоны, гипоталамические нейрогормоны. Они меняют чувствительность клеток (количество и сродство рецепторов) к гуморальным и нервным влияниям, модулируют регуляторные сигналы за счет сдвигов проницаемости мембран, их электрических зарядов, рецепции, образования вторичных посредников, интенсивности энергетического метаболизма и кровоснабжения тканей. Образуясь в неспецифических клетках, большинство биологически активных веществ способно проникать из межклеточной среды в кровь и, таким образом, наряду с основным местным регуляторным влиянием оказывать региональные и даже генерализованные эффекты.

Какие же преимущества обеспечивает способ регуляции функций, осуществляемый с преимущественным участием нервного аппарата? В отличие от гуморальной связи нервная связь, во--первых, имеет точную направленность к определенному органу и даже группе клеток и, во--вторых, через нервные проводники связь осуществляется с гораздо большей скоростью, в сотни раз превышающей скорость распространения физиологически активных веществ. Наряду с кабельным способом управления по принципу «абонент--ответ», как на телефонной станции, центральный аппарат нервной системы с преобладающими интегративными промежуточными нейронами обеспечивает вероятностный принцип управления, гибко приспособленный к непрерывно меняющейся обстановке и обеспечивающий детермированные исполнительные реакции.

Характеристика гуморальных механизмов регуляции

В процессе эволюции при образовании многоклеточных организмов между отдельными клетками возникли функциональные связи; с усложнением их строения становились все более необходимыми механизмы, обеспечивающие взаимодействие между клетками.

Для осуществления коммуникации и координации между клетками, для поддержания стабильности внутренней среды организма -- гомеостаза -- и осуществления основных жизненных функций в эволюции возникли две основные системы -- эндокринная и нервная, работающие во взаимодействии между собой при осуществлении интегративной деятельности.

Учение об эндокринной регуляции создано во второй половине XIX в. А. Бертольдом, Ш. Броун--Секаром и др. Эндокринная система осуществляет свое влияние" гуморально посредством ряда веществ с регуляторным действием -- гормонов. Первый из гормонов -- секретин был открыт У. Бейлиссом и Э. Старлингом в 1902 г. В 1905 г. У. Харди предложил термин «гормон»(от греч. hormao -- приводить в движение, побуждать).

Гормоны обнаружены у растений и животных разных уровней развития, однако наибольшей сложности и многообразия система гормональной регуляции достигает у позвоночных животных.

Гормоны служат посредниками, которые вместе с нервной системой в составе единого интегративного регуляторного аппарата координируют самые разнообразные функции организма -- метаболизм, размножение, иммунитет, сезонные циклы активности и т. д.

По химической природе гормоны разнообразны и относятся к двум основным группам: первая представлена стероидами, во вторую входят производные аминокислот, пептиды, белки.

Гормоны вырабатываются в специализированных органах -- эндокринных железах, не имеющих выводных протоков (в отличие от зкзокринных желез), или в группах клеток с эндокринной функцией в пределах разных органов (например, в островковых клетках поджелудочной железы, в специализированных клетках гонад, вырабатывающих половые гормоны, и т. д.), а также в эндокринных клетках, встречающихся в слизистой оболочке кишки, в сердце и других органах. Большая часть эндокринных желез имеет эпителиальное происхождение.

Гормоны поступают во внутреннюю среду организма -- кровь, лимфу и другие тканевые жидкости -- и разносятся по всему организму. Регулирующий эффект они оказывают путем воздействия на рецепторы эффекторных органов-- или тканей--мишеней, которое передается на сложные клеточные структуры -- мембраны, ферментные системы (см. также разд. 2.2.4). На эти органы гормоны оказывают специфическое действие, которое не могут проявить другие вещества. При этом эффект вызывается во многих случаях при наличии гормона в чрезвычайно низких концентрациях --достаточно нескольких нано--, а иногда даже пикограммов вещества. В то же время клетки других тканей не реагируют на наличие гормона в циркулирующих жидкостях.

Таким образом, характерными особенностями гормонов являются их выработка в специализированных железистых клетках, выведение в циркулирующие жидкости организма, дистантное действие и способность к вызыванию специфической активности в низких концентрациях.

Существует и ряд других регуляторных веществ, которые иногда также относят к гормонам. Это так называемые гормоны местного действия, или тканевые гормоны, вырабатываемые паракринными клетками и обеспечивающие быструю регуляцию тканевых процессов. Эти вещества могут достигать своих органов--мишеней диффузией через тканевую жидкость, без переноса кровью. К этой группе относятся простагландины -- соединения широкого спектра физиологического действия, вазоактивные кинины, некоторые биогенные амины, например, серотонин, гистамин и т. д.

Ведущую роль в координации и интеграции жизнедеятельности клеток, тканей, органов и организма в целом имеет централизованная система управления основными взаимосвязями, компонентами которой являются нервная и эндокринная системы.

Основные особенности эволюции гормональных регуляторных механизмов

В процессе эволюции, задолго до появления специализированных эндокринных желез, вырабатывающих гормоны, появилась способность нервных клеток продуцировать секрет, содержащий гормоны, которые поступают в гуморальную среду организма и оказывают регулирующее действие на ряд функций. Это явление было названо нейросекрецией. Гормоны, вырабатываемые нервными клетками, часто называют регуляторными пептидами, или нейрогормонами.

Медиаторы также являются продуктами нервных клеток и отличаются от нейрогормонов тем, что выделяются окончаниями аксонов в синаптическую щель. В настоящее время показано, что одни и те же вещества могут функционировать и в качестве медиатора, и в качестве гормона. Например, катехоламины -- адреналин и норадреналин, вырабатываемые в мозговом веществе надпочечников, обычно именуются гормонами в связи с их функцией. Однако эти же вещества обнаруживаются в симпатических нервных окончаниях, и в этом случае они играют роль медиаторов (см. также разд. 5.2.2).

У беспозвоночных животных преобладающее множество гормонов вырабатывается клетками нервных ганглиев. Так, уже у кишечнополостных имеется примитивная нервная система; у гидры нервные клетки функционируют как нейросекреторные, и их гормоны регулируют развитие и рост.

У более высокоорганизованных беспозвоночных животных -- у первичноротых (черви, моллюски) и вторичноротых (иглокожие, оболочники) -- большое значение в регуляторных механизмах имеют нейросекреторные элементы и их гормоны, однако появляются также железы эпителиального происхождения. Весьма сложна система гормональной регуляции у насекомых, которая кроме нейросекреторных центров включает эндокринные железы первого порядка, регулируемые нейрогормонами, и эндокринные железы второго порядка, функция которых определяется гормонами эндокринных желез первого порядка; в свою очередь, их гормоны регулируют функцию органов и тканей--мишеней.

Нейросекреторные центры имеются в мозгу и у всех позвоночных животных; гормоны, вырабатываемые нейросекреторными клетками, оказывают широкое регулирующее влияние, и этот путь регуляции является наиболее древним.

В промежуточном мозгу, в гипоталамусе, всех позвоночных животных установлено наличие нейросекреторных клеток, гормоны которых либо оказывают специфическое регулирующее влияние непосредственно на органы-- или ткани--мишени (антидиуретический гормон -- АДГ, окситоцин и др., древний путь регуляции), либо воздействуют на эндокринные железы, в частности на гипофиз(гипоталамические рилизинг--гормоны), стимулируя синтез и секрецию соответствующих гормонов. Кроме рилизинг--гормонов (либерины) в гипоталамусе вырабатываются ингибирующие факторы(статины), которые совместно с либеринами регулируют функцию железистых клеток гипофиза. Эта система получила название гипоталамо--гипофизарной; в этом случае наиболее четко выражены органическая взаимосвязь и взаимодействие нервной и эндокринной систем.

Гормоны железистой части гипофиза, называемой аденогипофизом, оказывают влияние на эндокринные железы второго порядка, вырабатывающие свои гормоны, которые регулируют различные функции организма. Часть гормонов гипофиза оказывает непосредственное влияние на органы-- и ткани--мишени. Кроме того, ряд эндокринных желез функционирует без регулирующего влияния гормонов гипофиза.

Среди регуляторных гипоталамических пептидов кроме упомянутых выше гормонов открыты эндорфины и энкефалины. Эти вещества, выполняют и медиаторную функцию, оказывают модулирующее влияние на ряд медиаторных систем. Некоторые из регуляторных гипоталамических пептидов обнаружены не только в нейронах головного мозга, но также в кишечнике, например соматостатин, субстанция Р, вазоактивный интестинальный полипептид (ВИП) и др. Они действуют как гормоны желудочно--кишечного тракта. Некоторые из этих пептидов, первоначально обнаруженные в желудочно--кишечном тракте, найдены в коре головного мозга, например, холецистокинин, влияющий на выделение жёлчи и секрецию панкреатического сока. Холецистокинин обнаружен в головном мозгу, где он участвует в регуляции пищевого поведения.

Таким образом, для ряда гормонов в настоящее время установлена множественная локализация биосинтеза.

Согласно гипотезе Пирса (1978), клетки, вырабатывающие эти пептиды, образуют так называемую диффузную эндокринную систему (APUD -- англ.:Amine Precursors Uptake and Decarboxylation). Особенностями этих клеток являются высокое содержание аминов, способность к захвату их предшественников и последующему декарбоксилированию, а также способность вырабатывать биогенные амины и пептиды. Однако не все положения гипотезы Пирса находят подтверждение; в частности, не доказано происхождение всех элементов диффузной эндокринной системы из одних и тех же зачатков, как это предполагал автор.

При попытке объяснить обнаружение ряда веществ, определяемых у высших животных как гормоны, в различных системах организма, а также нахождение тех же или чрезвычайно близких по химической структуре веществ у многих беспозвоночных и даже у растений была высказана гипотеза о весьма раннем появлении в эволюции молекул, способных выполнять широкие регуляторные функции. Возможно, что первоначально возникли ферментные молекулы, которые на более поздних этапах эволюции превратились в гормоны. Так, например, стероидные гормоны обнаружены у растений и животных, причем животные синтезируют стероиды из холестерина. Однако не все стероиды, которые у высокоорганизованных животных стали выполнять функции гормонов, существовали на низших ступенях эволюции; часть из них создавалась по мере возникновения новых жизненных запросов в ходе дальнейшей эволюции из предшественников.

Многие пептидные гормоны также широко распространены и произошли от других белков, которые существовали на тех стадиях эволюции, когда еще не существовало эндокринной системы. Например, инсулин, продуцируемый бета--клетками поджелудочной железы у позвоночных, обнаруживается у них также в кишке и мозгу. Инсулин или инсулиноподобное вещество обнаружены в нервной системе ряда высокоорганизованных беспозвоночных (моллюсков, насекомых), а также у простейших (инфузорий) и даже у бактерий. По--видимому, предшественники полипептидных гормонов, из которых в процессе дальнейшей эволюции выработались современные гормоны, уже существовали у животных самых ранних ступеней эволюции. Многие вещества, которые в настоящее время относят к гормонам, возникли и у растений.

Возникновение эндокринных желез и эндокринной регуляторной системы, происшедшее независимо у беспозвоночных и позвоночных животных, явилось ароморфозом (по А. Н. Северцову) -- эволюционным преобразованием строения и функций организмов, ведущим к морфофизиологическому прогрессу. Это дало преимущество данным группам в поддержании гомеостаза, повышении их адаптивных возможностей и имело значение для прогрессивной эволюции этих форм. Очевидно, здесь были использованы молекулы, которые существовали и имели широкие регуляторные функции, являясь ферментами, медиаторами и т. д. В эндокринной системе эти вещества стали выполнять функции гормонов.

На ранних этапах эволюции позвоночных многие гормоны обладают весьма широким и разнообразным спектром действия; у более высокоорганизованных позвоночных для ряда гормонов этот спектр более узок и специфичен (например, пролактин, кортикостероиды и др.; см. разд. 6.2). Постепенно происходит также все большая концентрация структур центральных и периферических отделов эндокринной системы. В пределах отдельных эндокринных желез наблюдается не только концентрация однородных элементов, но и объединение в одном органе различных железистых элементов, вырабатывающих разные гормоны. Такое объединение оказывается полезным для более эффективной работы железы.

Регуляция функций эндокринной системы

Гормоны функционируют в качестве элементов регулирующих цепей, поэтому существенно, чтобы они не накапливались в организме и их уровень строго регулировался. Накоплению гормонов препятствуют их инактивация в эффекторных органах (главным образом в печени) и последующее выведение с мочой. Действие многих гормонов может блокироваться благодаря секреции гормонов, обладающих антагонистическим эффектом. Процессы синтеза и секреции гормонов регулируются с помощью обратной связи, и этот вид управления может осуществляться на разных уровнях одновременно.

Для обеспечения гомеостаза и поддержания на оптимальном уровне всех параметров внутренней среды организма большое значение имеет включение в систему регуляции различных метаболитов(жирные кислоты, глюкоза, аминокислоты, ионы и т. д.). Так, например, ионы Са2+, поступающие в железы, выполняют роль регуляторов секреторного процесса; глюкоза стимулирует гликолиз и ингибирует образование неэстерифицированных жирных кислот. От ее уровня зависит секреция инсулина и т. д. Гормоны и продукты метаболизма могут подавлять выделение какого--либо гормона, действуя по принципу отрицательной обратной связи. Например, инсулин снижает концентрацию сахара в крови, а глюкагон, действуя как антагонист инсулина, повышает ее. Конечный результат определяется соотношением этих двух эффектов.

Существует также регуляция и после выделения гормона в кровь. Период полураспада (время, необходимое для расщепления половины имеющегося гормона) для многих гормонов составляет лишь несколько минут.

Как уже указывалось, функционирование эндокринной системы осуществляется в тесном взаимодействии и взаимовлиянии с нервной системой. Это положение легко прослеживается на примере гипоталамуса. Гипоталамус получает информацию из внешней и внутренней среды. Из внешней среды по сенсорным системам сигналы поступают в кору больших полушарий и другие отделы мозга. В переработанном виде они передаются в гипоталамус, который интегрирует всю информацию, получаемую из высших отделов мозга и непосредственно из внутренней среды. В результате этих сигналов в гипоталамусе вырабатываются регуляторные гормоны, включающиеся в общую систему эндокринной регуляции. Кроме того, гипоталамус контролирует деятельность симпатической и парасимпатической нервной системы и с их помощью регулирует деятельность периферических эндокринных желез и органов--мишеней.

Функциональное значение гормонов

Гормоны оказывают широкое регулирующее влияние на различные функции организма. Выделяют три основные функции гормонов -- они обеспечивают: развитие организма; адаптацию физиологических систем (т. е. способность органов и тканей изменять активность в зависимости от потребности в ней); поддержание важнейших физиологических показателей на постоянном уровне (гомеостатическая функция).

Различные биохимические реакции могут протекать правильным образом лишь в присутствии одного или нескольких гормонов, хотя при увеличении их концентрации реакция не ускоряется. В этих случаях проявляется пермиссивное (разрешающее) действие гормона, т. е. сам гормон не влияет на данную систему, но обеспечивает возможность нормального действия другого гормона. Например, тироксин обладает пермиссивным действием по отношению к гормонам, регулирующим рост.

Еще одной важной особенностью действия некоторых гормонов является синергизм, т. е. усиление действия одного гормона под влиянием другого.

Рис. 2.2 Гормональные взаимодействия и механизм обратной связи в эндокринной системе. Сплошными стрелками обозначены стимулирующие воздействия, пунктирными -- ингибирующие.

Гормоны являются элементами регуляторных систем (рис. 2.2). С этой точки зрения они разделяются на две группы. В одной, которая включает адреналин, норадреналин, альдостерон, АДГ и другие гормоны, скорость их секреции и концентрация в плазме претерпевают значительные колебания; при этом скорость секреции приспосабливается к меняющейся ситуации. Концентрации гормонов другой группы, например тироксина, в норме колеблются мало.

Гормон может действовать как контролирующий элемент, при этом скорость его секреции поддерживает определенные уровни показателей -- концентрацию глюкозы в крови, осмотическое давление крови или другой физиологический параметр, который в норме сохраняется на постоянном уровне. Слежение за системой осуществляется специфическими рецепторами, которые направляют информацию об отклонениях регулируемого параметра от нужного значения в центральный контроллер (от англ. controller -- регулятор) системы. Контроллер посылает сигнал в нервной или гормональной форме к эндокринной железе, в результате чего ее секреторная активность снижается или возрастает. Латентный период действия разных гормонов может составлять минуты и часы. В этих случаях постоянный уровень концентрации гормона необходим для правильного осуществления различных функций (пермиссивное действие).

Механизм действия гормонов

Действие гормонов основано на стимуляции или угнетении каталитической функции некоторых ферментов в клетках органов--мишеней. Это действие может достигаться путем активации или ингибирования уже имеющихся ферментов. Причем важная роль принадлежит циклическому аденозинмонофосфату (цАМФ), который является здесь вторичным посредником (роль первичного посредника выполняет сам гормон). Возможно также увеличение концентрации ферментов за счет ускорения их биосинтеза путем активации генов.

Рис. 2.3 Механизм действия гормонов -- белковых, полипептидных и производных аминокислот

Механизм действия гормонов пептидной и стероидной природы различен. Амины и пептидные гормоны не проникают внутрь клетки, а присоединяются на ее поверхности к специфическим рецепторам в клеточной мембране. Рецептор связан с ферментом аденилатциклазой. Комплекс гормона с рецептором активирует аденилатциклазу, которая расщепляет АТФ с образованием цАМФ. Действие цАМФ реализуется через сложную цепь реакций, ведущую к активации определенных ферментов путем их фосфорилирования, они и осуществляют конечный эффект гормона (рис. 2.3).

Рис. 2.4 Механизм действия стероидных гормонов

I -- гормон проникает в клетку и связывается с рецептором в цитоплазме; II -- рецептор транспортирует гормон в ядро;

III -- гормон обратимо взаимодействует с ДНК хромосом; IV -- гормон активирует ген, на котором образуется матричная (информационная) РНК (мРНК); V-- мРНК выходит из ядра и инициирует синтез белка (обычно фермента) на рибосомах; фермент реализует конечный гормональный эффект; 1 -- клеточная мембрана, 2 -- гормон, 3 -- рецептор, 4 -- ядерная мембрана, 5 -- ДНК, 6 -- мРНК, 7 -- рибосома, 8 -- синтез белка (фермента).

Стероидные гормоны, а также Тз и Т4 (тироксин и трийодтиронин) растворимы в жирах, поэтому они проникают через клеточную мембрану. Гормон связывается с рецептором в цитоплазме. Образовавшийся гормон--рецепторный комплекс транспортируется в ядро клетки, где вступает в обратимое взаимодействие с ДНК и индуцирует синтез белка (фермента) или нескольких белков. Путем включения специфических генов на определенном участке ДНК одной из хромосом синтезируется матричная (информационная) РНК (мРНК), которая переходит из ядра в цитоплазму, присоединяется к рибосомам и индуцирует здесь синтез белка (рис. 2.4).

В отличие от пептидов, активирующих ферменты, стероидные гормоны вызывают синтез новых ферментных молекул. В связи с этим эффекты стероидных гормонов проявляются намного медленнее, чем действие пептидных гормонов, но длятся обычно дольше.

Классификация гормонов

На основании функциональных критериев различают три группы гормонов: 1) гормоны, которые оказывают влияние непосредственно на орган--мишень; эти гормоны называются эффекторнымщ 2) гормоны, основной функцией которых является регуляция синтеза и выделения эффекторных гормонов;

эти гормоны называют тропнымщ 3) гормоны, вырабатываемые нервными клетками и регулирующие синтез и выделение гормонов аденогипофиза; эти гормоны называются рилизинг--гормонами, или либеринами, если они стимулируют эти процессы, или ингибирующими гормонами, статинами, если они обладают противоположным действием. Тесная связь между ЦНС и эндокринной системой осуществляется в основном с помощью этих гормонов.

В сложной системе гормональной регуляции организма различают более или менее длинные цепи регуляции. Основная линия взаимодействий: ЦНС > гипоталамус > гипофиз > периферические эндокринные железы. Все элементы этой системы объединены обратными связями. Функция части эндокринных желез не находится под регулирующим влиянием гормонов аденогипофиза (например, паращитовидные железы, поджелудочная железа и др.).

Единство нервных и гуморальных механизмов регуляции

Нейрогуморальная регуляция функций обеспечивает адаптационные реакции от субклеточных до поведенческих. Можно выделить два вида механизмов, лежащих в ее основе: жесткие (фиксированные) и гибкие (нефиксированные). В основе работы жестких механизмов регуляции лежат генетические программы, закрепленные в процессе эволюции, фенотипические влияния сказываются лишь на конкретных формах реализации этих программ.

Гибкие механизмы обеспечивают исполнение организмом сиюминутных задач и тут же перестают функционировать. Например, регуляция функционирования дыхательного центра (чередования вдоха и выдоха) определяется генотипическими механизмами, фенотипически же могут меняться длительность каждой фазы и амплитуда этих процессов в соответствии с сиюминутными потребностями организма. Нефиксированные механизмы нейрогуморальной регуляции функций осуществляются срочно создающимися нейронными ансамблями. При этом главным принципом объединения нейронов является доминанта, которая обеспечивает синхронизацию работы входящих в ансамбли нервных образований. Количество, функциональная и структурная принадлежность нейронов, входящих в это объединение, определяются конкретными задачами регуляции, а также кинетикой формирования и осуществления программы.

Вычленяют три вида регулирующих влияний: пусковые, вызывающие деятельность регулируемой структуры или прекращающие ее; адаптационные, влияющие на выраженность реакции и соотношение отдельных ее компонентов при осуществлении функции; наконец, так называемые влияния готовности, формирующие состояние готовности регулируемых образований.

Составная часть рассматриваемой проблемы -- нейротрофические влияния. В настоящее время общепризнано, что трофическая функция свойственна всем нервным проводникам. Присуща она и симпатическим нервам в отношении утомленной скелетной мышцы. Однако ее реализация происходит не вследствие прямого действия этих нервов на мышцу, а опосредованно через систему кровообращения. В исследованиях механизмов трофических влияний двигательных нервов на поперечнополосатую мышцу удалось показать, что хотя импульсные (медиаторные) и неимпульсные влияния тесно связаны, ведущее значение имеют последние. Однако химическая природа нейрофических соединений (трофогенов), приносимых к мышце аксоплазматическим транспортом из сомы, неясна.

В качестве нейросекреторной клетки можно рассматривать и моторный нейрон, который передает мышечной клетке долгосрочную информацию, необходимую для поддержания ее структуры и функции. Факт, что многие свойства мышечных клеток регулируют посредством этого механизма, был подтвержден перестройкой различных свойств быстрых и медленных мышц, происходящей после перекрестной реиннервации. Это было показано прежде всего для сократительных свойств мышц, которые изменились в соответствии с новой, «чужой» иннервацией. Можно предполагать, что аналогичные общие закономерности существуют также и в межнейронных отношениях. Эта точка зрения подкрепляется сведениями о последующих событиях в нейронах после аксотомии (перерезки аксонов) конвергирующих на них нервов.

Участие нейротрофических механизмов предполагают при нервных травмах и восстановлении после них, в компенсаторных реакциях нервной системы, в процессах памяти и пластичности, в период старения и при некоторых нервных и мышечных заболеваниях. Ряд заключений о причинах нервной травмы был сделан в опытах с временным прекращением проводимости, а также плазматического тока (посредством действия цитостатика) при сохранении целостности аксонов. После таких повреждений был сделан вывод, что анатомическая непрерывность нерва, а не импульсная активность препятствует атрофии и фибрилляции мышцы.

Саморегуляция функций организма

Саморегуляция физиологических функций -- основной механизм поддержания жизнедеятельности организма на относительно постоянном уровне. Саморегуляция, возникнув в процессе эволюции как результат приспособления к воздействиям окружающей среды, присуща всем формам жизнедеятельности. В ходе естественного отбора в процессе приспособления к среде организмами были выработаны общие регуляторные механизмы различной физиологической природы (нейрогуморальные, эндокринные, иммунологические и др.), направленные на достижение и поддержание относительного постоянства внутренней среды.

Способность поддерживать относительное постоянство внутренней среды появляется на сравнительно высоких ступенях развития мира животных. Так, уже у хрящевых рыб концентрация солей в крови и тканях независима от ее изменения во внешней водной среде. У ганоидных и костистых рыб также поддерживаются многие константы внутренней среды.

У человека и высокоорганизованных животных гомеостатические механизмы достигли высокой степени развития. Относительное постоянство внутренней среды у них поддерживается нервно--гуморальными физиологическими механизмами, регулирующими деятельность сердечно--сосудистой и дыхательной систем, желудочно--кишечного тракта, почек и потовых желез, которые обеспечивают удаление из организма продуктов обмена веществ.

К наиболее совершенным гомеостатическим механизмам у высших животных и человека относятся процессы терморегуляции. Определенные признаки терморегуляции наблюдаются уже у животных с непостоянной температурой тела, пойкилотермных (холоднокровных) животных, температура тела которых в большинстве случаев следует за изменениями температуры внешней среды не совсем пассивно. Однако о действительной терморегуляции можно говорить только по отношению к гомойотермным (теплокровным) животным. Постоянство температуры тела настолько велико, что в норме ее отклонение в «ядре тела» не превышает нескольких десятых градуса при самых резких колебаниях температуры внешней среды. В поддержании нормальной температуры тела участвует большое число сложных процессов регуляции, часть которых в настоящее время изучена.

Особое значение для организма имеет постоянство состава крови. Хорошо известна устойчивость ее активной реакции (рН), осмотического давления, содержания глюкозы, соотношения электролитов (натрия, калия, кальция, хлора, магния, фосфора) и т. д. Например, рН крови, как правило, не выходит за пределы 7,35--7,47. Даже резкие нарушения кислотно--щелочного обмена с патологическим накоплением кислот в тканевой жидкости, например, при диабетическом ацидозе, очень мало сказываются на активной реакции крови.

Множество отдельных механизмов, регулирующих внутри-- и внесистемные взаимоотношения, оказывает в ряде случаев взаимопротивоположные (антагонистические) воздействия, уравновешивающие друг друга. Это приводит к установлению подвижного физиологического фона и позволяет живой системе поддерживать относительное динамическое постоянство, несмотря на изменения в окружающей среде и сдвиги, возникающие в процессе жизнедеятельности организма.

Гомеостаз и гомеостатическая регуляция. Среди целостных реакций организма, определяющих само его существование, поддержанию постоянства внутренней среды принадлежит особая роль.

Понятие гомеостаз (от греч. homoios -- подобный, схожий, и stasis -- стояние, неподвижность) (гомеостазис) впервые было введено в 1929 г. Уолтером Кенноном, творчески развившим идеи К. Бернара о динамическом характере постоянства внутренней среды. Этот термин У. Кеннон употреблял в двух смыслах: как постоянство внутренней среды организма, обеспечиваемое деятельностью ряда физиологических процессов, и как совокупность последних. Современные определения гомеостаза включают оба аспекта.

Под внутренней средой У. Кеннон понимал кровь, лимфу и тканевую жидкость. Основные параметры, характеризующие внутреннюю среду, были названы гомеостатическими константами. В качестве примера назовем концентрацию глюкозы, натрия и других ионов, величину мембранного потенциала, значения артериального и осмотического давления, напряжения газов крови, температуры. Они различаются по диапазону варьирования, т. е. норме реакции, определяемой генотипом. Чем уже диапазон варьирования константы, тем более значимы ее изменения для гомеостаза и тем большее число физиологических систем участвует в ее регуляции. Примером могут послужить рН жидкостных сред и температура тела у теплокровных. Гомеостатические константы с более широкой нормой реакции расширяют адаптивные возможности организма. В каждый данный момент гомеостатическая регуляция направлена преимущественно на достижение оптимального уровня той константы, которая максимально отклонилась от своего среднего значения.

Границы гомеостаза могут быть жесткими и пластичными, меняться в зависимости от индивидуальных, возрастных, половых, социальных и других условий. Жесткие константы, (например, осмотическое давление крови) допускают лишь незначительные отклонения от своего уровня, пластичные константы (например, уровень кровяного давления или питательных веществ в крови) варьируют в довольно большом диапазоне и в течение длительного времени. Значительная вариабельность уровня кровяного давления, свойственная здоровому человеку в норме, имеет определенный физиологический смысл. Так, повысившееся кровяное давление в результате физической нагрузки или эмоционального сдвига улучшает кровоснабжение многих органов и тканей. Вместе с тем длительное повышение кровяного давления приводит к нарушениям кровоснабжения -- кровоизлияниям, таким как инфаркты и инсульты.

Любые физиологические, физические, химические или эмоциональные воздействия (будь то температура воздуха, изменение атмосферного давления, обычная терапевтическая процедура или волнение, радость, печаль, горе, прием лекарства и т. д.) могут явиться поводом к выходу организма из состояния динамического равновесия, в котором он пребывает. Таким образом, любое воздействие может оказаться «отклоняющим», или «возмущающим». Рассмотрим достаточно простой пример. Углеводы служат важнейшим источником энергии для организма. В результате распада и главным образом «сгорания» в кислороде молекулы углеводов, богатые энергией, постепенно превращаются в молекулы конечных продуктов -- воды и двуокиси углерода, обладающих малым запасом энергии. Энергия, высвобождающаяся при этом, идет на покрытие энергетических потребностей клеток организма. Ни одна клетка, ни один орган не могут существовать даже кратковременно без расходования энергии и потребления «горючего» в виде углеводов.

Наиболее чувствительны к недостатку снабжения «горючим» нервные и мышечные клетки. Особенно нервные, так как они обладают незначительными запасами в виде гликогена и даже малое и кратковременное снижение уровня сахара в крови (гипогликемия) приводит к тяжелым функциональным расстройствам, вызывающим угрожающие явления в состоянии всего организма. Функции нервных образований всецело зависят от содержания сахара в крови. В крови здорового человека находится 44,4--66,6 мМ сахара в виде глюкозы.

Обращает внимание строгое постоянство уровня сахара в крови, что, по--видимому, наиболее благоприятно для протекания процессов жизнедеятельности и обмена веществ. Оно обеспечивается благодаря очень точно поддерживаемому балансу между потреблением сахара и его поступлением в кровь. Существует не менее семи--восьми механизмов, поддерживающих этот баланс. Центральную роль здесь играет печень.

Потребление сахара крови особенно возрастает при повышенной мышечной деятельности. Можно было бы ожидать, что при этом уровень сахара в крови резко понизится и наступит опасное состояние, называемое гипогликемией. Однако этого не происходит: в печени как в депо углеводов гликоген распадается до стадии глюкозы, которая и обеспечивает замену сахара в крови. Можно было бы ожидать также и контрастного явления: после приема пищи, богатой углеводами, последние, всасываясь в тонкой кишке, в большом количестве поступают в кровь, что должно было бы привести к значительному и стойкому повышению уровня сахара в крови. Но и этого не наблюдается.

Это обусловлено тем фактом, что оттекающая от кишки, обогащенная сахаром кровь поступает в общий кровоток не сразу, а проходит сначала по воротной вене через печень. В клетках печени глюкоза венозной крови поглощается, образуется гликоген, так что содержание сахара в крови, поступающего из печени в общий кровоток, сохраняется приблизительно на нормальном уровне. При употреблении очень большого количества сахара наблюдается лишь небольшое и кратковременное увеличение содержания его в крови, так называемая алиментарная гипергликемия. В этой ситуации вследствие превышения «почечного порога» для глюкозы ее избыток удаляется с мочой.