2 курс / Нормальная физиология / Физиология_человека_Семенович_А_А_,_Переверзев_В_А_,_Зинчук_В_В

величину гомеостатической константы, изменили так называ! емую «установочную точку» регулируемого параметра.

• Установочная точка (англ. set point). Это тот уровень регулируемого параметра, на котором регулирующая система стремится удерживать величину этого параметра.

Понимание наличия и направленности изменений устано! вочной точки гомеостатических регуляций помогает опреде! лить причину возникновения патологических процессов в ор! ганизме, прогнозировать их развитие и найти правильный путь лечения и профилактики.

Рассмотрим это на примере оценки температурных реакций организма. Даже когда человек здоров, то величина темпера! туры сердцевины тела на протяжении суток колеблется между 36 °С и 37 °С, причем в вечерние часы – ближе к 37 °С, ночью и ранним утром – к 36 °С. Это свидетельствует о наличии цир! кадного ритма изменения величины установочной точки тер! морегуляции. Но особенно ярко заявляет о себе наличие изме! нений установочной точки температуры сердцевины тела при ряде заболеваний человека. Например, при развитии инфек! ционных заболеваний терморегуляторные центры нервной системы получают сигнализацию о появлении в организме бактериальных токсинов и перестраивают свою работу так, чтобы повысить уровень температуры тела. Такая реакция ор! ганизма на внедрение инфекции выработана филогенетически. Она полезна, так как при повышенной температуре иммунная система функционирует активнее, а условия развития инфек! ции ухудшаются. Вот почему не всегда следует назначать жа! ропонижающие средства при развитии лихорадки. Но по! скольку очень высокая температура сердцевины тела (более 39 °С, особенно у детей) может быть опасна для организма (прежде всего в плане повреждений нервной системы), то в каждом отдельном случае врач должен принимать индивиду! альное решение. Если при температуре тела 38,5 – 39 °С име! ются такие признаки, как мышечная дрожь, озноб, когда чело! век кутается в одеяло, стремится согреться, то ясно, что меха! низмы терморегуляции продолжают мобилизацию всех источ! ников теплопродукции и способов сохранения тепла в организме. Это значит, что еще не достигнута установочная точка и в ближайшее время температура тела будет расти, до! стигая опасных границ. Но если при той же температуре у больного появилось обильное потоотделение, исчезла мышеч!

31

ная дрожь и он раскрывается, то ясно, что установочная точка уже достигнута и механизмы терморегуляции будут препят! ствовать дальнейшему повышению температуры. В такой си! туации врач на определенное время в ряде случаев может воз!

держаться от назначения жаропонижающих средств.

Уровни регулирующих систем. Выделяют следующие уровни:

•субклеточный (например, саморегуляция цепочек биохи! мических реакций, объединенных в биохимические циклы);

•клеточный – регуляция внутриклеточных процессов с помощью биологически активных веществ (аутокриния) и ме! таболитов;

•тканевый (паракриния, креаторные связи – регуляция взаимодействия клеток: слипание, объединение в ткань, синх! ронизацию деления и функциональной активности);

•органный – саморегуляция отдельных органов, функци! онирование их как единого целого. Такие регуляции осущест! вляются как за счет гуморальных механизмов (паракриния, креаторные связи), так и нервных клеток, тела которых на! ходятся во внутриорганных вегетативных ганглиях. Эти нейроны взаимодействуют, составляя внутриорганные реф! лекторные дуги. Вместе с тем через них реализуются и регу! ляторные влияния центральной нервной системы на внутрен! ние органы;

•организменный – регуляция гомеостаза, целостность организма, формирование регуляторных функциональных систем, обеспечивающих целесообразные поведенческие реакции, приспособление организма к изменениям условий окружающей среды.

Таким образом, в организме существует много уровней регулирующих систем. Простейшие системы организма объ! единяются в более сложные, способные выполнять новые функции. При этом простые системы, как правило, подчиня! ются управляющим сигналам со стороны более сложных сис! тем. Такое подчинение называют иерархией регулирующих систем.

Более подробно механизмы осуществления этих регуляций

будут рассмотрены ниже.

Единство и отличительные особенности нервных и гумо$ ральных регуляций. Механизмы регуляции физиологических

функций традиционно подразделяют на нервные и гумораль!

32

ные, хотя в действительности они образуют единую регулятор! ную систему, обеспечивающую поддержание гомеостаза и приспособительную деятельность организма. Эти механизмы имеют многочисленные связи как на уровне функционирова! ния нервных центров, так и при передаче сигнальной информа! ции эффекторным структурам. Достаточно сказать, что при осуществлении простейшего рефлекса как элементарного ме! ханизма нервных регуляций передача сигнализации с одной клетки на другую осуществляется посредством гуморальных факторов – нейромедиаторов. Чувствительность сенсорных рецепторов к действию раздражителей и функциональное со! стояние нейронов изменяется под действием гормонов, нейро! медиаторов, ряда других биологически активных веществ, а также простейших метаболитов и минеральных ионов (К+, Na+, Ca2+, Cl–). В свою очередь, нервная система может за! пускать или выполнять коррекцию гуморальных регуляций. Гуморальные регуляции в организме находятся под контролем

нервной системы.

Особенности нервных и гуморальных регуляций в организме. Гуморальные механизмы филогенетически более древние, они имеются даже у одноклеточных животных и при! обретают большое разнообразие у многоклеточных и особенно у человека.

Нервные механизмы регуляций образовались филогенети! чески более поздно и формируются постепенно в онтогенезе человека. Такие регуляции возможны лишь в многоклеточных структурах, имеющих нервные клетки, объединяющиеся в нервные цепи и составляющие рефлекторные дуги.

Гуморальные регуляции осуществляются путем распро! странения сигнальных молекул в жидкостях организма по прин! ципу “всем, всем, всем”, или принципу “радиосвязи”.

Нервные регуляции осуществляются по принципу “письмо с адресом”, или “телеграфной связи”. Сигнализация передает! ся от нервных центров к строго определенным структурам, на! пример к точно определенным мышечным волокнам или их группам в конкретной мышце. Только в этом случае возможны целенаправленные, координированные движения человека.

Гуморальные регуляции, как правило, осуществляются медленнее, чем нервные. Скорость проведения сигнала (по! тенциала действия) в быстрых нервных волокнах достигает 120 м/с, в то время как скорость транспорта сигнальной моле!

33

кулы с током крови в артериях приблизительно в 200 раз, а в капиллярах – в тысячи раз меньше.

Приход нервного импульса к органу!эффектору практически мгновенно вызывает физиологический эффект (например, со! кращение скелетной мышцы). Реакция на многие гормональ! ные сигналы более медленная. Например, проявление ответной реакции на действие гормонов щитовидной железы и коры над! почечников происходит через десятки минут и даже часы.

Гуморальные механизмы имеют преимущественное значе! ние в регуляции процессов обмена веществ, скорости деления клеток, роста и специализации тканей, полового созревания, адаптации к изменению условий внешней среды.

Нервная система в здоровом организме оказывает влияние на все гуморальные регуляции, осуществляет их коррекцию. Вместе с тем у нервной системы имеются свои специфические функции. Она регулирует жизненные процессы, требующие быстрых реакций, обеспечивает восприятие сигналов, прихо! дящих от сенсорных рецепторов органов чувств, кожи и внут! ренних органов. Регулирует тонус и сокращения скелетных мышц, которые обеспечивают поддержание позы и перемеще! ние тела в пространстве. Нервная система обеспечивает про! явление таких психических функций, как ощущение, эмоции, мотивации, память, мышление, сознание, регулирует поведен! ческие реакции, направленные на достижение полезного при! способительного результата.

Несмотря на функциональное единство и многочисленные взаимосвязи нервных и гуморальных регуляций в организме, в целях удобства изучения механизмов осуществления этих ре!

гуляций рассмотрим их в отдельности.

Характеристика механизмов гуморальной регуля ции в организме. Гуморальные регуляции осуществляются за

счет передачи сигналов с помощью биологически активных ве! ществ через жидкие среды организма. К биологически актив! ным веществам организма относят: гормоны, нейромедиаторы, простагландины, цитокины, факторы роста, эндотелин, азота оксид и ряд других веществ. Для выполнения их сигнальной функции достаточно очень малого количества этих веществ. На! пример, гормоны выполняют свою регуляторную роль при кон! центрации их в крови в пределах 10–7–10–10 моль/л.

Гуморальные регуляции подразделяют на эндокринные и местные.

34

Эндокринные регуляции осуществляются благодаря функ! ционированию желез внутренней секреции (эндокринных же! лез), которые представляют собой специализированные орга! ны, выделяющие гормоны. Гормоны – биологически актив! ные вещества, вырабатываемые эндокринными железами, пе! реносимые кровью и оказывающие специфические регуляторные влияния на жизнедеятельность клеток и тканей. Отличительной особенностью эндокринных регуляций являет! ся то, что железы внутренней секреции выделяют гормоны в кровь и таким путем эти вещества доставляются практически ко всем органам и тканям. Однако ответная реакция на дей! ствие гормона может быть лишь со стороны тех клеток (мише! ней), на мембранах, в цитозоле или ядре которых имеются ре!

цепторы к соответствующему гормону.

Отличительной особенностью местных гуморальных регуляций является то, что биологически активные вещест!

ва, вырабатываемые клеткой, не поступают в кровоток, а действуют на продуцирующую их клетку и ее ближайшее окру! жение, распространяясь за счет диффузии по межклеточной жидкости. Такие регуляции подразделяют на регуляцию обме! на веществ в клетке за счет метаболитов, аутокринию, пара! кринию, юкстакринию, взаимодействия через межклеточные контакты.

•Регуляция обмена веществ в клетке за счет метабо1 литов. Метаболиты – конечные и промежуточные продукты процессов обмена веществ в клетке. Участие метаболитов в регуляции клеточных процессов обусловлено наличием в об! мене веществ цепочек функционально связанных биохимиче! ских реакций – биохимических циклов. Характерно, что уже в таких биохимических циклах имеются главные признаки био! логических регуляций, наличие замкнутого контура регулиро! вания и отрицательной обратной связи, обеспечивающей за! мыкание этого контура. Например, цепочки таких реакций ис! пользуются при синтезе ферментов и веществ, участвующих в образовании аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). АТФ! вещество, в котором аккумулируется энергия, легко использу! емая клетками для самых разных процессов жизнедеятельнос! ти: движения, синтеза органических веществ, роста, транспор! та веществ через клеточные мембраны.

•Аутокринный механизм. При таком типе регуляций синтезированная в клетке сигнальная молекула выходит через

35

Рис. 2.2. Виды гуморальных регуляций в организме

клеточную мембрану в межклеточную жидкость и связывается с рецептором на наружной поверхности мембраны (рис. 2.2). Таким образом клетка реагирует на синтезированную в ней же сигнальную молекулу – лиганд. Присоединение лиганда к ре! цептору на мембране вызывает активацию этого рецептора, а он запускает целый каскад биохимических реакций в клетке, которые обеспечивают изменение ее жизнедеятельности. Ау! токринная регуляция часто используется клетками иммунной и нервной систем. Этот путь ауторегуляции необходим для под! держания стабильного уровня секреции некоторых гормонов. Например, в предотвращении избыточной секреции инсулина β!клетками поджелудочной железы имеет значение тормозное действие секретируемого ими же гормона на активность этих клеток.

• Паракринный механизм. Осуществляется путем сек! реции клеткой сигнальных молекул, которые выходят в меж! клеточную жидкость и влияют на жизнедеятельность сосед! них клеток (рис. 2.2). Отличительной чертой этого вида регу! ляций является то, что в передаче сигнала имеется этап диф! фузии молекулы лиганда через межклеточную жидкость от одной клетки к другим соседним клеткам. Так, клетки подже! лудочной железы, секретирующие инсулин, влияют на клетки этой железы, секретирующие другой гормон – глюкагон. Факторы роста и интерлейкины влияют на клеточное деле! ние, простагландины – на тонус гладких мышц, мобилизацию Са2+. Такой тип передачи сигналов важен в регуляции роста тканей при развитии эмбриона, заживлении ран, для роста поврежденных нервных волокон и при передаче возбуждения в синапсах.

Исследованиями последних лет показано, что некоторые клетки (особенно нервные) для сохранения своей жизнедея!

36

тельности должны постоянно получать специфические сигна! лы от соседних клеток. Среди таких специфических сигналов особенно важны вещества – факторы роста (NGF). При дли! тельном отсутствии воздействия этих сигнальных молекул нервные клетки запускают программу самоуничтожения. Та! кой механизм клеточной смерти называют апоптозом.

•Юкстакринный механизм. Осуществляется путем передачи сигнальных молекул непосредственно от наружной поверхности мемб! раны одной клетки на мембрану другой. Это происходит при условии контакта (прикрепления, адгезионного сцепления) мембран двух кле! ток. Такое прикрепление происходит при взаимодействии лейкоцитов с эндотелием кровеносных капилляров в месте, где имеется воспалитель! ный процесс.

•Взаимодействия через межклеточные контакты. Осущест! вляются благодаря специализированным соединениям мембран (вста! вочным дискам, щелевым контактам – нексусам). Они формируются пу! тем объединения особых белковых молекул в кольцеобразную структуру (коннексон) с порой внутри. В соседней клетке (точно напротив) форми! руется такое же образование с порой. Объединяясь, эти поры формиру! ют каналы, через которые из клетки в клетку переходят биологически ак! тивные вещества и локальные электрические токи. Нарушение состоя! ния нексусов приводит к патологии сердца, нарушению тонуса гладких мышц внутренних органов и т.д. Межклеточные контакты, укрепляющие физическую связь между мембранами, называют плотными соединени1 ями и адгезионными поясами. Они способствуют объединению клеток

вткань, их слипанию, укреплению и формированию барьерных образова! ний тканей.

•Эндокринный способ передачи сигналов. Характеризуется тем, что продуцируемые железами внутренней секреции гормоны выделяются

вкровь и только через нее могут действовать на клетки!мишени всего ор! ганизма.

Для быстрого осуществления влияния на клетку необходимо усиле! ние мощности сигнала, передаваемого лигандом (гормоном, нейромеди! атором и т.д.). Одним из механизмов такого усиления является использо! вание системы вторичных посредников. Это относительно простые мо! лекулы, которые могут быстро образовываться (или поступать в клетку)

вбольшом количестве и оказывать мощное регулирующее влияние на активность ферментов, состояние ионных каналов и т.д. Ко вторичным посредникам относят: циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), цик!

лический гуанозинмонофосфат (цГМФ), инозитолтрифосфат (ИФ3) и диацилглицерол (ДАГ), а также Са2+.

37

После связи лиганда с мембранным рецептором (7!ТMS рецептор) он передает влияние на специфический белок (G!белок), который изби! рательно активирует один из видов ферментов: аденилатциклазу, образу! ющую цАМФ (из АТФ), гуанилатциклазу – цГМФ (из ГТФ) или фосфо! липазу С, образующую из фосфолипидов ИФ3 и ДАГ. Так происходит быстрое увеличение (мультипликация) содержания молекул одного из видов вторичных посредников. В результате один активированный ре! цептор мембраны может запустить образование десятков тысяч молекул вторичного посредника. А каждая молекула вторичного посредника акти! вирует (или тормозит) десятки молекул ферментов (протеинкиназ), регу! лирующих внутриклеточные процессы.

Во всех гуморальных регуляциях, осуществляемых с учас! тием специфических сигнальных молекул, важную роль игра! ют клеточные и внутриклеточные мембраны. Поэтому для по! нимания механизма гуморальных регуляций необходимо знать

элементы физиологии клеточных мембран.

Особенности строения и свойства клеточных мембран.

Для всех клеточных мембран характерен один принцип стро! ения (рис. 2.3). Их основу составляют два слоя липидов (мо! лекул жиров, среди которых больше всего фосфолипидов, но имеется также холестерол и гликолипиды). Молекулы мем! бранных липидов имеют головку (участок, притягивающий воду и стремящийся взаимодействовать с ней, называемый гидрофильным) и хвост, который является гидрофобным (от! талкивается от молекул воды, избегает их соседства). В ре!

Рис. 2.3. Схема строения клеточной мембраны

38

зультате такого различия свойств головки и хвоста липидных молекул последние при попадании на поверхность воды вы! страиваются рядами: головка к головке, хвост к хвосту и об! разуют двойной слой, в котором гидрофильные головки обра! щены к воде, а гидрофобные хвосты – друг к другу. Хвосты находятся внутри этого двойного слоя. Наличие липидного слоя образует замкнутое пространство, изолирует цитоплаз! му от окружающей водной среды и создает препятствие для прохождения воды и растворимых в ней веществ через кле! точную мембрану. Толщина такого липидного бислоя состав! ляет около 5 нм.

В состав мембран также входят белки. Их молекулы по объему и по массе в 40–50 раз больше, чем молекулы мем! бранных липидов. За счет белков толщина мембраны достига! ет 7–10 нм. Несмотря на то что суммарные массы белков и ли! пидов в большинстве мембран почти равны, количество моле! кул белков в мембране в десятки раз меньше, чем молекул липидов. Обычно белковые молекулы расположены разроз! ненно. Они как бы растворены в мембране, могут в ней сме! щаться и изменять свое положение. Это послужило поводом к тому, что строение мембраны назвали жидкостно1мозаич1 ным. Молекулы липидов тоже могут смещаться вдоль мембра! ны и даже перепрыгивать из одного липидного слоя в другой. Следовательно, мембрана имеет признаки текучести и вместе с тем обладает свойством самосборки, может восстанавли! ваться после повреждений за счет свойства липидных молекул выстраиваться в двойной липидный слой.

Белковые молекулы могут пронизывать всю мембрану так, что их концевые участки выступают за ее поперечные пределы. Такие белки называют трансмембранными или интеграль1 ными. Есть также белки, только частично погруженные в мем! брану или располагающиеся на ее поверхности.

Белки клеточных мембран выполняют многочисленные функции. Для осуществления каждой функции геном клетки обеспечивает запуск синтеза специфического белка. Даже в относительно просто устроенной мембране эритроцита имеет! ся около 100 разных белков. Среди важнейших функций мем! бранных белков отмечаются: 1) рецепторная – взаимодей! ствие с сигнальными молекулами и передача сигнала в клетку; 2) транспортная – перенос веществ через мембраны и обес!

39

печение обмена между цитозолем и окружающей средой. Су! ществует несколько разновидностей белковых молекул (транслоказ), обеспечивающих трансмембранный транспорт. Среди них есть белки, формирующие каналы, которые прони! зывают мембрану и через них идет диффузия определенных ве! ществ между цитозолем и внеклеточным пространством. Та! кие каналы чаще всего ионоселективные, т.е. пропускают ио! ны только одного вещества. Есть также каналы, избиратель! ность которых меньшая, например они пропускают ионы Na+

иK+, К+ и Сl–. Есть также белки!переносчики, которые обес! печивают транспорт вещества через мембрану за счет измене! ния своего положения в этой мембране; 3) адгезивная – белки совместно с углеводами участвуют в осуществлении адгезии (слипание, склеивание клеток при иммунных реакциях, объ! единение клеток в слои и ткани); 4) ферментативная – некото! рые встроенные в мембрану белки выполняют роль катализа! торов биохимических реакций, протекание которых возможно только в контакте с клеточными мембранами; 5) механическая – белки обеспечивают прочность и эластичность мембран, их связь с цитоскелетом. Например, в эритроцитах такую роль выполняет белок спектрин, который в виде сетчатой структу! ры прикреплен к внутренней поверхности мембраны эритро! цита и имеет связь с внутриклеточными белками, составляю! щими цитоскелет. Это придает эритроцитам эластичность, способность менять и восстанавливать форму при прохожде! нии через кровеносные капилляры.

Углеводы составляют лишь 2–10% от массы мембраны, количество их в разных клетках изменчиво. Благодаря углево! дам осуществляются некоторые виды межклеточных взаимо! действий, они принимают участие в узнавании клеткой чуже! родных антигенов и совместно с белками создают своеобраз! ную антигенную структуру поверхностной мембраны соб! ственной клетки. По таким антигенам клетки узнают друг друга, объединяются в ткань и на короткое время слипаются для пере! дачи сигнальных молекул. Соединения белков с сахарами назы! вают гликопротеинами. Если же углеводы соединяются с липи! дами, то такие молекулы называют гликолипидами.

Благодаря взаимодействию входящих в мембрану веществ

иотносительной упорядоченности их расположения клеточная мембрана приобретает ряд свойств и функций, не сводимых к простой сумме свойств образующих ее веществ.

40