Дмитрий Жуков «Стой, кто ведет? Биология поведения человека и других зверей»
Передача гормонального сигнала: синтез, секреция, транспорт гормонов, их действие на клетки-мишени и инактивация
Гормон, поступивший в кровь, переносится к тканям-мишеням в разных формах. Определенная доля молекул находится в том виде, в котором они были секретированы, но бόльшая часть связывается с белками крови. Некоторые из этих белков связывают многие гормоны (альбумин), а другие обладают высокой специфичностью по отношению к определенным гормонам, т. е. связывают только один или строго ограниченный круг гормонов. (Так, кортикостероид-связывающий глобулин связывает глюкокортикоиды, минералокортикоиды и прогестины, но не связывает эстрогены; белок, который связывает пролактин и гормон роста, не присоединяет другие пептидные гормоны.) Связывание гормонов белками крови имеет три функции.
Первая функция - регуляторная. Связанный гормон не взаимодействует с тканями-мишенями, т. е. та часть молекул секретированного гормона, которая связалась с белком, биологически не активна.
В результате эффективная концентрация гормона всегда меньше, чем его общая концентрация в крови. Чем выше в ней содержание белка, связывающего молекулы гормона, тем меньше эффективная концентрация гормона, т. е. возможный биологический эффект. Следовательно, биологическая активность гормона регулируется содержанием в крови белков, которые связывают этот гормон. Например, при беременности возрастает количество белка, связывающего кортизол. При возникновении потребности тканей в гормоне увеличиваются расщепление гормон-белкового комплекса и эффективная концентрация, а содержание биологически активного гормона в крови возрастает. Таким образом, регулирующая функция белков, связывающих гормоны, тесно связана со второй функцией - запасающей.
Вторая - запасающая - функция связывания гормонов с белками крови определяется тем, что в крови имеется постоянный запас гормона, который может быть легко переведен в активное состояние. При снижении концентрации свободного гормона часть связанного высвобождается из комплекса с белком.
Третья функция связывания молекул гормона белками крови - транспортная. В некоторых случаях гормон, связанный с транспортным белком, быстрее проникает в клетку-мишень.
После синтеза, секреции и транспорта начинается взаимодействие гормона с клеткой-мишенью. Оно обеспечивается клеточными рецепторами. Они представляют собой сложные белки и расположены в клеточной мембране (рецепторы пептидных гормонов), в цитоплазме клетки (рецепторы стероидных гормонов) и в клеточном ядре (рецепторы трийодтиронина и тироксина).
Основная характеристика рецепторов - их специфичность. Благодаря этому свойству рецепторов гормоны, распространяясь по всему организму, действуют не на все ткани и органы, а только на те, клетки которых содержат рецепторы данного гормона. Рецепторы обладают гораздо более высокой специфичностью, чем транспортные белки крови. Почти все рецепторы связывают только один определенный гормон, причем в гораздо большей степени, чем его ближайшие химические аналоги. В то же время большинство гормонов связываются с несколькими подтипами рецепторов, и специфичность этих подтипов различна. Таким образом достигается тонкое регулирование функций клетки-мишени.
Связывание гормона с рецептором вызывает цепь сложных биохимических реакций, конечным итогом которых является изменение синтеза определенных белков, что и принято считать биологическим эффектом данного гормона.
Итак, первые четыре этапа передачи гормонального сигнала - это синтез, секреция, транспорт белками крови и связывание с рецепторным аппаратом в клетках тканей. Заключительным, пятым, этапом передачи гуморального сигнала является инактивация гормона и вывод его из организма. Нарушение метаболизма гормона может привести к изменениям в работе всей эндокринной системы. При замедленной инактивации однократное введение гормона способно вызвать длительный или же неожиданно сильный эффект. В норме время полужизни пептидных гормонов составляет несколько минут, а стероидных - несколько часов. Многие синтетические производные гормонов значительно эффективнее природных аналогов именно потому, что они медленно подвергаются инактивации в процессе обмена веществ.
Биологическая активность эндокринной системы может меняться, хотя содержание гормона в крови остается неизменным. Изменения связаны с нарушениями в транспорте, рецепции или катаболизме молекул гормона. Например,длительный прием оральных контрацептивов достаточно часто приводит к нарушениям либидо. У таких женщин обнаружено повышенное содержание транспортного белка - глобулина, связывающего эстрогены. Другой пример - для прерывания беременности на ранних сроках применяются вещества, нарушающие связывание прогестерона с его клеточными рецепторами. Биологический эффект обеспечивается изменением этапа взаимодействия гормона с рецептором. Еще один пример - препараты лакрицы (солодки), широко используемые для лечения бронхитов, трахеитов и прочих болезней верхних дыхательных путей. Эти лекарства содержат вещества, тормозящие инактивацию глюкокортикоидов в процессе обмена веществ. В результате повышается содержание в крови глюкокортикоидов, прежде всего кортизола, подавляющего воспалительные процессы. Эти лекарства не влияют на систему синтеза и секреции гормонов и не нарушают ее функционирование. Поэтому препараты лакрицы широко применяются как безопасные противовоспалительные средства.
Поливалентность гормонов
Опасность гормональных препаратов связана с тем, что каждый гормон воздействует не на одну ткань или орган. Любой гормон имеет несколько тканей-мишеней (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Поливалентность гормонов. Каждый гормон связывается с рецепторами (R), расположенными в клетках разных тканей. Эти рецепторы имеют общее свойство - специфичность, т. е. способность связывать именно данный гормон и не взаимодействовать с другими гормонами, имеющими схожую структуру. Рецепторы для одного и того же гормона, находящиеся в разных тканях, несколько отличаются по своей специфичности. Эти различия и являются биологической основой для создания лекарственных препаратов путем модификации естественных гормонов. Побочные эффекты, обусловленные взаимодействием с остальными тканями, у каждого из таких препаратов сведены к минимуму, поскольку его молекула модифицирована так, чтобы она связывалась только с рецепторами той ткани, для влияния на которую предназначена. Абсолютно полной специфичности достичь не удается, поэтому анаболики, чье действие направлено на мышечную ткань, влияют и на гипоталамус, где они тормозят синтез гонадолиберина (ЛГ-РГ), что и приводит к расстройству репродуктивной функции
Одна из таких мишеней - центры (структуры мозга и железы), управляющие секрецией этого гормона. Взаимодействие гормона с центром, регулирующим его синтез и секрецию, называется регуляцией по механизму обратной связи. Глюкокортикоиды тормозят синтез и секрецию кортиколиберина и АКТГ; гормоны щитовидной железы - тиреолиберина и тиреотропина; половые гормоны - синтез и секрецию гонадолиберина. Лечение глюкокортикоидами обычно продолжается долго, более того, часто используются очень большие дозы препаратов. В таких случаях торможение секреции кортиколиберина и АКТГ может быть настолько длительным, что будет продолжаться и после прекращения лечения. В результате развившегося дефицита функции коры надпочечников могут возникнуть тяжелые расстройства (рис. 2.8). Поэтому в качестве лекарственных препаратов чаще используют не естественные гормоны, а модифицированные молекулы. Модификация естественных гормонов с целью получения лекарственных препаратов проводится таким образом, чтобы уменьшить их влияние на все ткани, кроме одной, для лечения которой и предназначено данное лекарство. Опаснейшим из побочных эффектов гормональных препаратов является торможение ими гипоталамических и гипофизарных центров, в которых происходит синтез либеринов и тропных гормонов.
Рис. 2.8. Обратная связь в эндокринных системах. Слева показаны связи в эндокринных системах в состоянии покоя. Гормоны периферических желез (коры надпочечников, щитовидной железы и гонад) тормозят синтез и секрецию соответствующих гипоталамических рилизингов и гипофизарных тропных гормонов. Справа показаны те же связи на фоне введения гормона извне. Большая доза экзогенного гормона резко снижает синтез и секрецию эндогенных гормонов на всех трех уровнях эндокринной системы. Поэтому при завершении лечебного гормонального курса дозу препарата снижают очень медленно, чтобы заторможенная по механизму обратной связи система «гипоталамус - гипофиз - железа» восстановила нормальную функцию
Решить эту задачу полностью, т. е. изменить молекулу гормона так, чтобы он связывался исключительно с рецепторами периферических тканей, не удается.
Регуляция по механизму отрицательной обратной связи и гормональные влияния на поведение
Если гормон тормозит активность центров, которые стимулируют его синтез и секрецию, такая обратная связь называется отрицательной. Если повышение секреции гормона ведет к активации стимулирующих центров, то обратная связь называется положительной. Положительная обратная связь почти не встречается в гуморальных регуляторных механизмах. В то же время роль отрицательной обратной связи в регуляции эндокринной системы исключительно велика.
Регуляция эндокринных функций по механизму отрицательной обратной связи осуществляется не только путем торможения синтеза и секреции либеринов и тропных гормонов. Другим механизмом обратной связи является регулирование количества рецепторов уровнем гормона. При повышении концентрации гормона выше физиологически нормального уровня количество его рецепторов в тканях-мишенях снижается, а при уменьшении концентрации гормона количество рецепторов в клетках повышается. Это правило справедливо для подавляющего большинства гормонов. Наличие механизма регуляции по отрицательной обратной связи обеспечивает стабильность системы, в данном случае - постоянство гормональных влияний на клетки.
Тесная взаимосвязь между уровнем гормона и количеством его рецепторов, торможение гипоталамических центров по механизму отрицательной обратной связи, регуляция одной функции несколькими гормонами, а также взаимодействие между различными эндокринными системами приводит к тому, что биологический эффект зависит не столько от концентрации гормона, сколько от ее динамики. Особенно заметно это применительно к психотропным эффектам гормонов.
широко распространено представление об определяющей роли уровня гормонов в крови для проявления таких форм поведения, как половое, агрессивное и асоциальное. Это представление не соответствует действительности, что подтверждают многочисленные и разнообразные исследования. Точнее, прямая зависимость между содержанием гормонов и поведением обнаруживается только при сравнении полярных групп: кастрированных самцов, у которых нет половых гормонов, и у носителей хромосомных мутаций ХУУ с очень высоким содержанием тестостерона. В первой группе почти отсутствуют аберрантные поведенческие формы, а во второй они усилены. Между этими двумя группами располагается группа самцов (мужчин), у которых не обнаружена зависимость между уровнем секреции тестостерона и поведением. Для проявления полового, агрессивного и асоциального поведения необходим определенный, небольшой уровень тестостерона. Выраженность же поведения зависит от факторов внешней среды, в психологических терминах - от воспитания. Например, крысята, выращенные в присутствии враждебно настроенного отца, оказались значительно агрессивнее своих собратьев, у которых не было опыта таких контактов. Быки, имевшие подобные контакты, продолжали демонстрировать агрессивное поведение и после того как были кастрированы.
Таким образом, колебания уровня циркулирующего гормона не сопровождается пропорциональными колебаниями выраженности поведенческих форм, которые этот гормон обеспечивает. Это обусловлено регуляцией эндокринных функций по механизму отрицательной обратной связи.
Взаимодействие эндокринных систем: прямая связь, обратная связь, синергизм, пермиссивное действие, антагонизм
Существует пять типов взаимодействия эндокринных систем:
1) один гормон стимулирует синтез другого - например, гипоталамические гормоны (рилизинг-гормоны) стимулируют секрецию гипофизарных гормонов. Тропные гормоны гипофиза стимулируют секрецию гормонов периферических желез;
2) один гормон тормозит синтез другого - например, глюкокортикоиды тормозят синтез и секрецию кортиколиберина и АКТГ; гормоны щитовидной железы - тиреолиберина и тиреотропина; половые гормоны - синтез и секрецию гонадолиберина;
3) два гормона оказывают на клетки организма одинаковый эффект (синергичное действие) - например, и адреналин, и глюкагон увеличивают содержание глюкозы в крови.;
4) один гормон усиливает действие другого на клетки организма, хотя сам по себе не влияет на данную функцию (пермиссивное действие) - например, кортизол не влияет на тонус сосудистой стенки, но увеличивает чувствительность сосудов к адреналину;
5) два гормона оказывают на клетки организма противоположный эффект (антагонизм). Возможны различные механизмы антагонистических проявлений. Например, глюкокортикоид кортизол ослабляет транспорт глюкозы в жировую ткань, а инсулин - увеличивает. При этом два гормона действуют каждый через свои рецепторы. Возможна конкуренция двух гормонов за связывание с одним типом рецепторов (глюкокортикоиды и минералокортикоиды; вазопрессин и окситоцин). Наконец, возможно неконкурентное торможение взаимодействия гормона с рецептором (кортизол не связывается сам с прогестероновым рецептором, но препятствует связыванию прогестерона с рецептором).
Механизмы гормональных влияний на поведение
Взаимодействие гормонов имеет большое практическое значение, поскольку, как уже говорилось, любая функция организма находится под контролем нескольких гормонов (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Множественность регуляции функций ткани и органов. Почти все ткани и органы имеют рецепторы многих гормонов, оказывающих различное действие на данную ткань. Гормоны могут взаимодействовать друг с другом, ослабляя или усиливая эффект других гормонов и влияние нервной системы. В результате биологический ответ всегда сложнее простой суммы эффектов отдельных гормонов
Это проявляется особенно ярко в отношении психических функций, так как есть несколько путей, по которым осуществляется гормональное воздействие на психику. Во-первых, гормоны могут влиять на поведение, изменяя состояние периферических органов. Например, серотонин, действуя как гормон, т. е. выделяясь в кровеносную систему, изменяет поведение за счет того, что вызывает зуд. Под влиянием тестостерона кожа на головке пениса становится тоньше, в результате возрастает чувствительность, и самцы становятся восприимчивее к движениям самки во время совокупления. Изменение метаболизма в периферических органах, таких как печень, под влиянием гормонов приводит к появлению в крови многих биологически активных веществ. Во-вторых, гормоны влияют на поведение, изменяя метаболизм непосредственно в ЦНС. Кортизол усиливает транспорт глюкозы в клетки мозга. Гормональная регуляция концентрации глюкозы в крови и влияние глюкозы на поведение будут подробно рассмотрены в следующем разделе. В-третьих, гормоны влияют на функциональное состояние ЦНС, изменяя действие отдельных медиаторов и в отдельных случаях индуцируя определенные формы поведения.
Свободно проникать в ЦНС могут только стероидные гормоны. Некоторые, но не все пептидные гормоны проникают через гематоэнцефалический барьер, отделяющий кровоток от ЦНС, используя систему ферментов-переносчиков. В основном психотропный эффект пептидных гормонов обусловлен четвертым механизмом - взаимодействием с периферической нервной системой (с ганглиями вегетативной нервной системы). Наконец, гормоны могут влиять на поведение за счет изменения строения мозга. Под влиянием эстрогенов увеличивается количество межнейронных контактов. Глюкокортикоиды вызывают гибель клеток в ЦНС, а минералокортикоиды, наоборот, увеличивают стабильность нейронов некоторых структур мозга.