Общая характеристика эндокринной системы

Особенностью многоклеточных животных является дифференцировка тканей, причем каждый вид тканей приспособлен к выполнению специализированных функций, что обеспечивает выживание организма и его адаптацию к непрерывно меняющимся условиям существования.

Для того чтобы из миллиардов клеток создать целостный, интегрированный организм, способный к самовосстановлению, самовоспроизведению и адаптации, необходима постоянно действующая система коммуникации между клетками. В ходе эволюционного процесса сформировались две такие системы: нервная и эндокринная. Нервная система, о которой подробно рассказывалось выше, структурирована, и аксоны нервных клеток образуют синаптические окончания в строго определенных местах организма. Эндокринная система использует для передачи сигналов от одних клеток к другим особые химические вещества — гормоны (от греч. hormao — пробуждать, активизировать). Гормоны — это специальные регулирующие вещества, вырабатываемые в одних тканях организма, транспортируемые с током крови к различным органам и воздействующие на их работу. Гормоны, несмотря на свое название, далеко не всегда «возбуждают» регулируемый ими орган, и характер их воздействия может очень сильно варьировать. Как известно, нервные импульсы распространяются по аксонам с большой скоростью, и для осуществления, например, коленного рефлекса необходимы доли секунды. В противоположность этому гормональная регуляция осуществляется гораздо медленнее, и под ее контролем находятся те процессы нашего организма, которые требуют для регуляции минуты или часы. Передача информации при помощи гормонов может осуществляться в пределах организма на самые различные расстояния. Выделяют три основных вида гормональной регуляции (рис. 5.1): аутокринная I, когда гормон действует на те клетки, в которых он вырабатывается; паракринная II, когда гормон действует на близко расположенные клетки той же ткани, и эндокринная III, когда гормон разносится с током крови по всему организму и действует на различные его органы. Такое деление эффектов достаточно относительно, и во многих случаях один и тот же гормон может действовать и паракринно, и эндокринно.

 

Рис. 5.1. Передача информации при помощи гормонов: I — аутокринно; II — паракринно; III — эндокринно; 1 — регулируемые клетки; 2 — секреторные клетки; 3 — кровеносный сосуд

 

Гормоны обычно образуются в особых секреторных клетках, которые или образуют компактные органы — железы, или расположены по одной или группами внутри органов. Секреторным клеткам свойственны некоторые морфологические особенности. Обычно синтез и «упаковка» гормонов происходит в одной части клетки, а их выброс в кровь — в другой. Чаще всего синтезируемые гормоны накапливаются в комплексе Гольджи — основном «складском помещении» клетки. Комплекс Гольджи представляет собой стопку плоских мешочков, стенки которых построены из мембран. По мере надобности гормоны упаковываются в маленькие секреторные пузырьки — гранулы, которые отпочковываются от комплекса Гольджи и передвигаются по цитоплазме к наружной мембране клетки, через которую гормон выбрасывается в кровь (рис. 5.2). Некоторые гормоны, например половые, видимо, не упаковываются в гранулы и выходят из секретирующей клетки в виде отдельных молекул. Выброс гормона в кровь происходит не постоянно, а только в том случае, когда к секретирующей клетке приходит специальный сигнал, под действием которого пузырьки высвобождают гормон во внеклеточную среду.

Однако в последние годы стало очевидно, что гормоны смогут выделяться не только из клеток специализированных эндокринных желез, но и из клеток многих других органов и тканей. Так, нейроны гипоталамуса способны вырабатывать целый набор гормональных факторов, таких, как либерины, статины и другие гормоны, клетки сердечной мышцы выделяют в кровь натрийдиуретический гормон, лимфоциты выделяют ряд гормонов — стимуляторов иммунитета, наконец, множество белковых гормонов синтезируется в слизистой оболочке кишечника.

 

Рис. 5.2. Секреция гормонов: 1 — ядро; 2 — кровеносный сосуд; 3 — секреторные гранулы; 4 — комплекс Гольджи; 5 — секреторная клетка

Существует несколько подходов к определению тех критериев и свойств, которым должно отвечать вещество, претендующее на роль гормона. Перечислим главные из этих критериев.

1. Гормон выделяется из живых клеток. Если какое-то вещество, обладающее значительным физиологическим эффектом, выделяется из мертвой разрушающейся клетки, его к гормонам относить нельзя.

2. Гормоны, как и любые физиологически активные вещества, обладают сильными эффектами и поэтому выделяются в очень малых количествах.

3. Гормон выделяется из клетки, не нарушая ее жизнедеятельности и целостности.

4. Гормон поступает в межклеточную жидкость и кровь непосредственно из секретирующих клеток, и эндокринные железы не имеют выводных протоков, как железы внешней секреции.

5. Гормон действует только на определенные органы-мишени, имеющие специальные рецепторы для взаимодействия с ним.

6. Гормон не является источником энергии и строительным материалом для нужд организма.

Эти критерии, предъявляемые к веществу-гормону, достаточно строгие, и на самом деле имеется ряд исключений, однако перечисленные критерии позволяют четко отличать гормоны от ферментов, витаминов и других веществ.

Гормоны можно классифицировать несколькими способами. Наиболее удобна классификация по характеру эффектов гормонов и по их химическому строению (табл. 5.1).

Регулирующие эффекты — это обратимое активирующее или тормозное действие на системы организма, осуществляющиеся постоянно в течение всей жизни. Программные, или детерминирующие, эффекты необратимы и осуществляются в определенные, относительно короткие периоды жизни, например в период полового созревания у человека. При этом гормон определяет кардинальную перестройку клеток, клетки меняют свою форму, функции и остаются такими на все дальнейшее время существования организма.

Пермиссивное действие гормонов заключается в том, что одни из них, не влияя на какой-то процесс другого гормона, резко усиливают его эффект. Например, гормон щитовидной железы — тироксин необходим для того, чтобы нормально развивались эффекты гормона роста. Даже из краткой таблицы видно, что гормоны воздействуют на все функции организма, а с другой стороны, один и тот же гормон может непосредственно воздействовать на несколько функций. Так, большая часть гормонов способна прямо или опосредованно влиять на возбудимость и эмоции, изменяя поведение человека.

 

Таблица 5.1 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЭФФЕКТОВ ГОРМОНОВ
Тип эффекта	Действие на организм	Примеры гормонов
Регулирующий	Сокращение мышц	Окситоцин, адреналин
Секреция различных желез	Либерины, статины, АКТГ, ТТГ и др.
Пигментация кожи	Мелатонин
Обмен углеводов, белков и жиров	Гормон роста, инсулин, тиреоидные гормоны, липотропин и др.
Водно-солевой обмен	Альдостерон, вазопрессин, кальцитонин, паратгормон и др.
Поведение	Гормоны половых желез (андрогены и эстрогены), эндорфины, тиролиберин, люлиберин, тиреоидные гормоны, адреналин и др.
Рост тела	Гормон роста, тиреоидные гормоны
Программный, или детерминирующий	Половое созревание	Гормоны гипоталамуса, некоторые гормоны гипофиза, гормоны половых желез
Высвобождение половых клеток	Лютеинизирующий гормон гипофиза
Пермиссивный	Рост и половое созревание	Тироксин усиливает действие гормона роста

Так как передаваемая гормонами информация закодирована в строении их молекул, важно знать основные группы химических веществ, к которым гормоны относятся.

Первая группа — белково-пептидные гормоны, представляющие собой цепочки различной длины, состоящие из аминокислот. К ним относятся либерины и статины гипоталамуса, гормоны гипофиза, инсулин, натрийдиуретический гормон и некоторые другие.

Вторая группа — стероиды, представляющие собой производные холестерина. К ним относятся гормоны коры надпочечников, гормоны половых желез.

Третья группа — гормоны, производные отдельных аминокислот. Так, производными аминокислоты тирозина являются адреналин — гормон мозгового слоя надпочечников и гормоны щитовидной железы — тироксин и трийодтиронин. Гормон эпифиза мелатонин синтезируется из аминокислоты триптофана.

Четвертая группа — производные арахидоновой кислоты: простагландины и некоторые другие гормоны, о которых будет подробнее сказано ниже.

Несмотря на огромное различие в химическом строении, гормоны разных химических групп имеют много общего в организации функциональной структуры.

Так, в идеальном случае в молекуле гормона можно выделить адресный участок, или гаптон, отвечающий за прикрепление всей молекулы к месту специфического гормонального воздействия. Гаптон сам по себе никаким биологическим эффектом не обладает. Другой участок гормональной молекулы называется актоном. Именно актон вызывает физиологические эффекты гормона в клетке-мишени, но сам по себе без гаптона актон не может присоединяться к регулируемой клетке. И наконец, в состав гормональной молекулы может входить целый ряд участков, защищающих эту молекулу от воздействия разрушающих ферментов, усиливающих или ослабляющих гормональный эффект. Эти участки молекулы получили название акцессорных. Актон, гаптон и акцессорные участки могут быть расположены в различных участках гормональной молекулы (рис. 5.3, а), а могут и перекрывать друг друга (рис. 5.3, б).

Рис. 5.3. Схема возможной функциональной организации молекул гормонов: а — актон в одном участке молекулы гормона; б — актон в двух участках молекулы гормона; 1 — защитный участок; 2 — гаптон; 3 — актон; 4 — усилитель; 5 — защитный участок

Некоторые гормоны способны воздействовать на работу целого ряда клеток различных тканей. Другие — способны непосредственно воздействовать только на один вид клеток. Это различие определяется тем, что для взаимодействия гормона и клетки-мишени необходимо, чтобы в клетке находились специфические рецепторы, позволяющие считывать информацию, заложенную в этом гормоне. При взаимодействии гормона с рецептором образуется так называемый гормон-рецепторный комплекс, который и воздействует на работу клетки.

Таким образом, будет ли клетка взаимодействовать с гормоном и изменять под его влиянием свою физиологическую активность, определяется тем, имеются ли в этой клетке специфические рецепторы к этому гормону. Если рецепторы есть, клетка будет реагировать на гормон, если таких рецепторов нет, клетка не будет взаимодействовать с гормоном, даже если этого гормона в жидкости, омывающей клетку, очень много. Надо отметить, что гормональные рецепторы обладают колоссальной избирательностью по отношению к «своему» гормону, прекрасно различая его среди множества других, даже очень похожих на него молекул и взаимодействуя именно со «своим» гормоном, несмотря на то что концентрация гормонов в крови всегда очень и очень мала по сравнению с другими классами веществ. Существуют два принципиально различающихся механизма действия гормонов, в зависимости от того, где образуется гормон-рецепторный комплекс: на поверхности клеточной мембраны или внутри клетки.

Белково-пептидные гормоны (первая группа) состоят из цепочек аминокислот, их молекулы велики и, что очень важно, плохо растворяются в жирах, составляющих основу биологических мембран и мембран, которые окружают любую клетку: это аденокортикотропный гормон гипофиза, тиреотропный гормон, лютеинизирующий гормон, инсулин. Их действие развивается быстро — за минуты, но продолжается очень недолго. Обычно гормоны этой группы накапливаются в секретирующих клетках и быстро высвобождаются из них в случае необходимости. Проникнуть внутрь клетки через липидные слои мембраны такие молекулы не могут, и рецепторы к ним расположены на поверхности клетки. При таком виде рецепции необходимо решить две задачи: во-первых, сигнал воздействия гормона нужно передать внутрь клетки и, во-вторых, усилить этот сигнал, чтобы достичь значительного изменения работы клетки. Разберем один из вариантов такого взаимодействия гормонов с клеткой (рис. 5.4, а). Каждая молекула гормона связывается с одним рецептором на поверхности клетки-мишени. Пространственная структура рецептора при этом меняется, и он взаимодействует с молекулой G -белка, также встроенного в мембрану. G-белок в свою очередь активирует фермент аденилатциклазу, способную индуцировать образование большого числа молекул — мощнейшего регулятора внутриклеточных процессов (ц‑АМФ), которая может влиять на различные реакции, протекающие в клетке. Как один из наиболее вероятных видов воздействия (рис. 5.4, а), он активирует фермент протеинкиназу А, «снимая» с нее регулирующую субъединицу. Освободившись от этой субъединицы, протеинкиназа А начинает присоединять к определенным белкам клетки высокоэнергетические фосфатные группы, т. е. фосфорилирует их. Одни из таких белков являются ферментами, другие входят в состав стенок каналов, которые пропускают в клетку или выпускают из нее различные ионы. Фосфорилированные белки резко изменяют свою биологическую активность, и вся работа клетки резко активизируется: мышечная клетка будет сильнее сокращаться, секреторная клетка будет вырабатывать больше веществ.

Рис. 5.4. Варианты взаимодействия пептидного гормона с клеткой-мишенью: 1 — гормон; 2 — рецептор; 3 — липидный слой; 4 — аденилатциклаза; 5 — наружная мембрана клетки

При такой схеме передачи гормонального сигнала в клетку сам гормон называют первым посредником, ц‑АМФ называют вторым посредником, а протеинкиназу А, которая изменяет работу множества белков клетки, называют внутриклеточным эффектором. По ходу описанного каскада реакций происходит мощнейшее усиление сигнала. Так, одна молекула адренокортикотропного гормона (АКТГ), взаимодействуя с рецептором менее одной секунды, способна активировать около 1000 молекул аденилатциклазы, которые все вместе способны образовать более 1 млн молекул ц‑АМФ и т. д. Таким образом, коэффициент усиления в гормональных каскадах способен достигать 10⁷—10⁸. Но естественно, белково-пептидные гормоны могут и тормозить работу клетки. В этом случае сигнал от рецептора, с которым связался гормон, доходит до особого вида G-белка, который не активирует, а, наоборот, тормозит активность аденилатциклазы.

Некоторые пептидные гормоны, также не проникающие внутрь клетки, имеют другой механизм действия (рис. 5.4, б).

Связываясь с рецептором на поверхности клетки-мишени, они открывают в мембране канал, через который в клетку поступают ионы кальция. Кальций — активатор целого ряда внутриклеточных процессов и других протеинкиназ, таким образом, гормон значительно изменяет деятельность клетки.

Принципиально иной механизм действия характерен для многих других гормонов (стероидов, гормонов щитовидной железы). Эти гормоны жирорастворимы и легко проникают внутрь клетки через наружную мембрану. В цитоплазме молекулы гормона связываются с молекулой рецептора (рис. 5.5). Комплекс гормон — рецептор проникает внутрь ядра клетки и связывается с участком ДНК, «включая» строго определенные гены. Идет образование и-РНК, которая выходит из ядра в цитоплазму, где и начинается синтез определенного белка или белков, изменяющих деятельность клетки. Описываемые эффекты развиваются довольно долго и бывают очень длительными, а зачастую являются программными, изменяя работу клетки на все время ее существования. Именно гормоны с «ядерной рецепцией» ответственны за общую и половую дифференцировку, многие поведенческие изменения. Комплекс гормон — рецептор реагирует с генетическим аппаратом обратимо, и после распада этого комплекса рецепторы могут использоваться многократно.

 

Рис.5.5. Схема взаимодействия стероидных и тиреоидных гормонов с клеткой-мишенью: 1 — гормон; 2 — рецептор; 3 — клетка; 4 — ядро; 5 — комплекс «гормон—рецептор»; 6 — клеточная мембрана

 

Обычно всякая эндокринная железа работает на «уровне покоя», выделяя небольшие количества гормона, но при необходимости секреция может тормозиться или, наоборот, резко усиливаться под действием химических стимулов. Этими химическими стимулами могут быть нейромедиаторы, выделяемые из окончаний нервных клеток; гормоны, выделяемые другими эндокринными железами; продукты, образующиеся в результате воздействия гормона. Обычно такие регуляции деятельности эндокринных желез осуществляются по принципу отрицательной обратной связи, т. е. повышение концентрации какого-либо гормона в крови или реакция клеток-мишеней на этот гормон оказывает угнетающее действие на его синтез и секрецию. Как правило, регуляция по принципу обратной связи осуществляется по нескольким цепям — с короткой или длинной петлей (рис. 5.6).

В случае обратной связи с короткой петлей продукт деятельности органа-мишени или какой-то другой его физиологический эффект угнетающе действуют непосредственно на эндокринную железу, выделяющую гормон-стимулятор органа-мишени. Обратная связь по длинной петле осуществляется по тому же принципу, но содержит большее число составных элементов, один из которых (или их нечетное число) должен быть «тормозным». В случае двух тормозных звеньев в одной цепи отрицательная связь не срабатывает: два «отрицательных» эффекта взаимно «погасят» друг друга.

Регуляция по принципу отрицательной обратной связи позволяет осуществлять очень тонкие и гибкие эндокринные воздействия в физиологических пределах без опасения, что выброс какого-то гормона приведет к мощному, лавинообразному эффекту, который может привести к гибели организма.

Рис.5.6. Схема регуляции деятельности эндокринной системы по принципу отрицательной обратной связи

Нервная и эндокринная системы — основные и интегрирующие системы, делающие организм единым целым и регулирующие его в условиях постоянно меняющейся окружающей среды. Но эти системы нельзя противопоставлять друг другу, кроме того, оказалось, что еще на ранних этапах эволюции живых организмов возникли нейросекреторные клетки, объединяющие в себе свойства нейронов и эндокринных клеток. Эти клетки (как нейроны) способны генерировать и передавать по своим аксонам нервные импульсы, и в то же время в их цитоплазме происходит синтез гормонов, являющихся либо пептидами, либо видоизмененными аминокислотами. У млекопитающих большая часть таких клеток сконцентрирована в гипоталамусе, где они образуют ряд скоплений — ядра. Через множество вставочных нейронов нейросекреторные клетки связаны со всеми сенсорными системами и постоянно получают афферентные стимулы от интеро- и экстерорецепторов об изменениях во внутренней среде организма и о влияниях внешней среды. Под действием афферентных стимулов нейросекреторные клетки начинают усиленно синтезировать гормоны и транспортировать их по аксонам к нервным окончаниям в виде секреторных гранул.

Сейчас определена скорость, с которой двигаются по аксонам эти гранулы: 2800 мм/сутки. По аксонам гранулы с гормонами двигаются в особые нейрогемальные области, в которых нейросекрет выходит из окончаний и попадает в кровеносные капилляры, а дальше, как и любой другой гормон, переносится с током крови к органам-мишеням. У человека выделяют две важнейшие нейрогемальные области — нейрогипофиз (задняя доля гипофиза) и срединное возвышение.