Жаропонижающие средства для детей назначаются педиатром. Но бывают ситуации неотложной помощи при лихорадке, когда ребенку нужно дать лекарство немедленно. Тогда родители берут на себя ответственность и применяют жаропонижающие препараты. Что разрешено давать детям грудного возраста? Чем можно сбить температуру у детей постарше? Какие лекарства самые безопасные?
На более тонком, молекулярном уровне внутри организма, есть системы, которые тоньше чувствуют и лучше знают, как сохранить постоянство внутренней среды в изменчивых условиях среды внешней. Регуляция функция организма происходит с помощью двух важнейших систем — нервной и гуморальной. Это два «кита», сохраняющих постоянство организма и способствующих адекватному ответу организма на то или иное действие извне. Что же это за два «кита»? Как же они регулируют работу сердца и другие функции организма? Разберёмся в этих вопросах подробно и обстоятельно.
1 Координатор №1 — нервная регуляция
Ранее обсуждалось, что сердце обладает автономностью — способностью самостоятельно воспроизводить импульсацию. И это так. В какой-то мере сердце «само себе хозяин», но деятельность сердца, как и работа других внутренних органов, очень чутко откликается на регуляцию вышележащих отделов, а именно на нервную регуляцию. Эта регуляция осуществляется отделом нервной системы под названием вегетативная (ВНС).
ВНС включает себя две важнейшие составляющие: симпатический и парасимпатический отдел. Эти отделы как день и ночь, оказывают противоположное действие на действие внутренних органов, но оба отдела одинаково важны для организма в целом. Рассмотрим, как же влияет на работу сердца, кровяное давление, тонус артериальных сосудов нервная регуляция.
2 Симпатическая активность
Симпатический отдел ВНС состоит из центральной части, расположенной в спинном мозге, и периферической, которая находится непосредственно в ганглиях — нервных узлах. Контроль за симпатикой осуществляет гипофиз, гипоталамус, сосудодвигательный центр продолговатого мозга, а также кора больших полушарий головного мозга. Все эти регулирующие органы взаимосвязаны и не работают друг без друга. Когда же активируется работа симпатического отдела и в чём она проявляется?
Всплеск эмоций, нахлынувшие чувства, страх, стыд, боль — и вот уже сердце готово выскочить из груди, а в висках пульсирует кровь… Это всё проявление эффектов симпатики на работу сердца и регуляцию тонуса сосудов. Так же в стенках артериальных сосудов находятся периферические рецепторы, которые передают сигналы на вышележащие структуры при понижении давления крови, в данном случае симпатическая регуляция «заставляет» сосуды повышать тонус — и давление нормализуется.
Исходя из этих данных можно сделать вывод, что импульсы в отделы симпатики могут поступать как с периферии — сосуды, так и с центра — кора больших полушарий. И в том и в другом случае ответ незамедлительно поступит. И каким же будет ответ? Эффекты симпатики на работу сердца и сосудов оказывают эффект со знаком: «+». Что это означает? Повышение частоты сердечных сокращений, усиление глубины и силы сокращений, повышение давления крови, а также повышение сосудистого тонуса.
Частоту сердцебиения в здоровом сердце устанавливает СА-узел, волокна симпатики заставляют этот узел вырабатывать большее количество импульсов, благодаря этому ЧСС возрастает. Поскольку в большей степени симпатические волокна иннервируют желудочки сердца, то сила и частота желудочковых сокращений будет возрастать, а времени на их расслабление будет затрачиваться меньше. Таким образом, симпатическая нервная регуляция мобилизует работу сердца и сосудов путем повышения их тонуса и усиления силы, частоты, и глубины сердечных толчков.
3 Парасимпатическая активность
Противоположный эффект оказывает другой отдел ВНС — парасимпатика. Давайте представим: Вы вкусно отобедали и прилегли отдохнуть, Ваш организм расслаблен, по телу разливается теплота, Вы погружаетесь в полудрёму… Сколько ударов в минуту будет осуществлять ваше сердце в этот момент? Будет ли давление высоким? Нет. Отдыхаете Вы — отдыхает Ваше сердце. Во время отдыха наступает царство вагуса. N.vagi — это главнейший и крупнейший нерв парасимпатической системы.
Действие парасимпатики оказывает тормозящий эффект на работу сердца и сосудов, эффект со знаком «-». А именно: замедляется частота и сила сердечных сокращений, понижается кровяное давление, сосудистый тонус понижается. Активность парасимпатики максимальна в период сна, отдыха, расслабления. Таким образом два отдела поддерживают сердечную деятельность, регулируют её основные показатели, работают слаженно и чётко под контролем вышележащих структур нервной системы.
4 Координатор №2 — гуморальная регуляция
Люди, знающие латынь, понимают смысл слова «гуморальный». Если переводить дословно, то humor — это влага, влажный, имеющий отношение к крови, лимфе. Гуморальная регуляция функций организма осуществляется с помощью крови, биологических жидкостей, а точнее она обеспечивается веществами, которые циркулируют в крови. Эти вещества, осуществляющие гуморальную функцию, известны всем. Это гормоны. Они вырабатываются железами внутренней секреции и поступают в тканевую жидкость, а также в кровь. Достигая органов и тканей, гормоны оказывают на них определённое воздействие.
Гормоны чрезвычайно активны, также они специфичны, поскольку их действие направленно на определённые клетки, ткани, органы. Но гормоны быстро разрушаются, поэтому они должны поступать в кровь постоянно. Гуморальная регуляция осуществляется с помощью важной, главной железы в полости черепа — гипофиза. Он — «царь» других желез организма. Конкретно на сердце влияют гормоны, производимые надпочечниками, щитовидной железы, половые гормоны, а также вещества, вырабатываемые клетками сердца.
5 Вещества заставляющие сердце трудиться
Адреналин и норадреналин. Гормоны надпочечников. Вырабатываются в больших количествах в экстремальных ситуациях, при стрессе, волнении. Увеличивают частоту и силу сокращений сердца, повышают кровяное давление, мобилизуют все функции организма.
Тироксин. Гормон щитовидки. Усиливает ЧСС. У людей с избыточной функцией данной железы и с повышенной концентрацией данного вещества в крови всегда наблюдается тахикардия — ЧСС более 100 в минуту. Также тироксин повышает чувствительность клеток сердца к другим веществам, влияющим на гуморальную регуляцию функций сердечно-сосудистой системы, например к адреналину.
Половые гормоны. Усиливают сердечную деятельность, поддерживают тонус кровеносных сосудов.
Серотонин или гормон «счастья». Стоит ли описывать его эффект? Всем известно как сердце выпрыгивает из груди и бьётся от счастья?
Простагландины, гистамин оказывают стимулирующее действие, «подгоняющее» сердце.
6 Вещества-релаксанты
Ацетилхолин. Его влияние оказывает на сердце эффекты со знаком «-»: частота, сила сокращений уменьшается, сердце «работает» менее напряжённо.
Предсердные гормоны. Клетки предсердий вырабатывают собственные вещества, которые оказывают действие на сердце и сосуды. К таким веществам относят натрийуретический гормон, он обладает выраженным дилатирующим действием на сосуды, понижает их тонус, вызывая также понижение кровяного давления. Также данное вещество оказывает блокирующих эффект на активность симпатической нервной системы и высвобождение адреналина и норадреналина.
7 Ионы в работе сердца
Большое влияние на сердечные сокращения оказывает концентрация ионов или электролитов в крови. Речь идет о К+, Na+, Ca2+.
Кальций. Важнейший ион, участвующий в сердечном сокращении. Обеспечивает нормальную миокардиальную сократимость. Ионы Ca2+ усиливают сердечную деятельность. Избыток кальция, как и его недостаток негативно влияет на работу сердца, могут возникнуть различные аритмии или даже остановка сердца.
Калий. Ионы К+ в своем избытке замедляют сердечную деятельность, снижает глубину сокращения, понижает возбудимость. При значительном увеличении концентрации возможны нарушения проводимости и остановка сердца. При недостатке К+ сердце также испытывает негативные влияния в виде аритмий и нарушений в работе. Электролитные показатели в крови содержатся на определённом уровне, показатели которого установлены для каждого иона (нормы калия 3,3-5,5, а кальция 2,1-2,65 ммоль/л). Эти показатели гуморальной функции строго определены, и выход любого из них за рамки нормы грозит расстройством работы не только в сердце, а и в других органах.
8 Единое целое
Обе регулирующих системы, и нервная, и гуморальная неразрывно связаны между собой. Нельзя отделить одну от другой, как нельзя в едином организме разграничить функцию правой и левой руки, к примеру. Некоторые авторы даже называют данные системы одним словом: нервно-гуморальная регуляция. Это подчёркивает их взаимосвязь и единство. Ведь управлять организмом — нелёгкая задача и справиться с ней можно только сообща.
Нельзя выделить среди механизмов регуляции главные и второстепенные, они все одинаково важны. Можно лишь констатировать некоторые особенности их работы. Так, для нервной регуляции свойственна быстрота реакции. По нервам, как по проводам, импульс распространяется моментально к органу. А для гуморальной регуляции функций характерно более медленное наступление эффекта, ведь, чтобы веществу по крови попасть к органу, нужно время.
Первая древнейшая форма взаимодействия между клетками многоклеточных организмов - это химическое взаимодействие посредством продуктов обмена веществ, поступающих в жидкости организма. Такими продуктами , или метаболитами, служат продукты распада белков, углекислота и др. Это гуморальная передача влияний, гуморальный механизм корреляции или связи между органами.
Гуморальная связь характеризуется следующими особенностями. Во-первых, отсутствием точного адреса, по которому направляется химическое вещество, поступающее в или другие жидкости тела. Химическое вещество может, следовательно, действовать на все органы и . Его действие не локализовано, не ограничено определенным местом. Во-вторых, химическое вещество распространяется относительно медленно. И, наконец, в-третьих, оно действует в ничтожных количествах и обычно быстро разрушается или выводится из организма. Гуморальные связи являются общими и для мира животных и мира растений.
Нервная и гуморальная регуляция
На следующем этапе развития живых существ появляются специальные органы - железы, в которых вырабатываются гуморально действующие вещества - гормоны, образующиеся из поступающих в организм пищевых веществ. Так, например, гормон адреналин образуется в надпочечниках из аминокислоты - тирозина. Это гормональная регуляция.
Основная функция нервной системы заключается в регуляции взаимодействия организма как единого целого с окружающей его внешней средой и в регуляции деятельности отдельных органов и связи между органами.
Нервная система усиливает или тормозит деятельность всех органов не только волнами возбуждения или нервными импульсами, но и посредством поступления в кровь, лимфу, спинномозговую и тканевую жидкости медиаторов, гормонов и метаболитов, или продуктов обмена веществ. Эти химические вещества действуют на органы и на нервную систему. Таким образом, в естественных условиях не существует исключительно нервная регуляция деятельности органов, а нервно-гуморальная.
Возбуждение нервной системы имеет биохимическую природу. По ней волнообразно распространяется сдвиг обмена веществ, при котором ионы избирательно проходят через мембраны, в результате чего образуется разность потенциалов между участками, находящимися в состоянии относительного покоя и возбужденными, и возникают . Эти токи, называются биотоками , или биопотенциалами , распространяются по нервной системе и вызывают возбуждение в последующих ее участках.
Важнейшие понятия теории физиологических регуляций.
Прежде чем рассматривать механизмы нейрогуморальных регуляций, остановимся на важнейших понятиях этого раздела физиологии. Некоторые из них разработаны кибернетикой. Знание таких понятий облегчает понимание регуляций физиологических функций и решение ряда проблем в медицине.
Физиологическая функция - проявление жизнедеятельности организма или его структур (клетки, органа, системы клеток и тканей), направленное на сохранение жизни и выполнение генетически и социально обусловленных программ.
Система - совокупность взаимодействующих элементов, осуществляющих функцию, которая не может быть выполнена одним отдельным элементом.
Элемент - структурная и функциональная единица системы.
Сигнал - разнообразные виды вещества и энергии, передающие информацию.
Информация сведения, сообщения, передаваемые по каналам связи и воспринимаемые организмом.
Раздражитель - фактор внешней или внутренней среды, воздействие которого на рецепторные образования организма вызывает изменение процессов жизнедеятельности. Раздражители подразделяют на адекватные и неадекватные. К восприятиюадекватных раздражителей рецепторы организма приспособлены и активируются при очень малой энергии воздействующего фактора. Например, для активации рецепторов сетчатки глаза (палочек и колбочек) достаточно 1 -4 кванта света.Неадекватными являются раздражители, к восприятию которых чувствительные элементы организма не приспособлены. Например, колбочки и палочки сетчатки глаза не приспособлены к восприятию механических воздействий и не обеспечивают появления ощущения даже при значительной силе воздействия на них. Лишь при очень большой силе воздействия (удар) может произойти их активация и возникновение ощущения света.
Раздражители подразделяют также по их силе на подпоро- говые, пороговые и сверхпороговые. Сила подпороговых раздражителей недостаточна для возникновения регистрируемой ответной реакции организма или его структур. Пороговым раздражителем называют такой, минимальная сила которого достаточна для возникновения выраженной ответной реакции. Сверхпороговые раздражители имеют большую силу, чем пороговые раздражители.
Раздражитель и сигнал - сходные, но не однозначные понятия. Один и тот же раздражитель может иметь разное сигнальное значение. Например, писк зайца может быть сигналом, предупреледающим об опасности сородичей, но для лисы этот же звук - сигнал о возможности добычи пищи.
Раздражение - воздействие факторов окружающей или внутренней среды на структуры организма. Надо отметить, что в медицине термин "раздражение" иногда применяется и в другом смысле - для обозначения ответной реакции организма или его структур на действие раздражителя.
Рецепторы молекулярные или клеточные структуры, воспринимающие действие факторов внешней или внутренней среды и передающие информацию о сигнальном значении раздражителя на последующие звенья регуляторного контура.
Понятие рецепторы рассматривается с двух точек зрения: с молекулярно-биологической и морфофункциональной. В последнем случае говорят о сенсорных рецепторах.
С молекулярно-биологической точки зрения рецепторы - специализированные белковые молекулы, встроенные в клеточную мембрану или находящиеся в цитозоле и ядре. Каждый вид таких рецепторов способен взаимодействовать только со строго определенными сигнальными молекулами - лиганда- ми. Например, для так называемых адренорецепторов лиган- дом являются молекулы гормона адреналина и норадреналина. Такие рецепторы встроены в мембраны многих клеток организма. Роль лигандов в организме выполняют биологически активные вещества: гормоны, нейромедиаторы, факторы роста, цитокины, простагландины. Они выполняют свою сигнальную функцию, находясь в биологических жидкостях в очень малых концентрациях. Например, содержание гормонов в крови обнаруживается в пределах Ю -7 -10" 10 моль/л.
С морфофункциональной точки зрения рецепторы (сенсорные рецепторы) - это специализированные клетки или нервные окончания, функцией которых является восприятие действия раздражителей и обеспечение возникновения возбуждения в нервных волокнах. В таком понимании термин "рецептор" чаще всего применяется в физиологии, когда речь идет о регуляциях, обеспечиваемых нервной системой.
Совокупность однотипных сенсорных рецепторов и область организма, в которой они сосредоточены, называют рецептор ным полем.
Функцию сенсорных рецепторов в организме выполняют:
специализированные нервные окончания. Они могут быть свободными, не покрытыми оболочками (например, болевые рецепторы кожи) или иметь оболочку (например, тактильные рецепторы кожи);
специализированные нервные клетки (нейросенсорные клетки). У человека такие сенсорные клетки имеются в слое эпителия, выстилающего поверхность носовой полости; они обеспечивают восприятие пахучих веществ. В сетчатке глаза нейросенсорные клетки представлены колбочками и палочками, которые воспринимают световые лучи;
3) специализированные эпителиальные клетки - это развивающиеся из эпителиальной ткани клетки, которые приобрели высокую чувствительность к действию определенных видов раздражителей и могут передавать информацию об этих раздражителях на нервные окончания. Такие рецепторы имеются во внутреннем ухе, вкусовых луковицах языка и вестибулярном аппарате, обеспечивая возможность восприятия соответственно звуковых волн, вкусовых ощущений, положения и движения тела.
Регулирование постоянный контроль и необходимая коррекция функционирования системы и ее отдельных структур с целью достижения полезного результата.
Физиологическая регуляция - процесс, обеспечивающий сохранение относительного постоянства или изменение в желательном направлении показателей гомеостаза и жизненных функций организма и его структур.
Для физиологических регуляций жизненных функций организма характерны следующие черты.
Наличие замкнутых контуров регулирования. В простейший регуляторный контур (рис. 2.1) входят блоки: регулируемый параметр (например, уровень содержания глюкозы в крови, величина кровяного давления), управляющее устройство - в целостном организме это нервный центр, в отдельной клетке - геном, эффекторы - органы и системы, которые под влиянием сигналов от управляющего устройства изменяют свою работу и непосредственно влияют на величину регулируемого параметра.
Взаимодействие отдельных функциональных блоков такой регуляторной системы осуществляется по каналам прямой и обратной связи. По каналам прямой связи информация передается от управляющего устройства к эффекторам, а по каналам обратной связи - от рецепторов (датчиков), контролиру-
Рис. 2.1. Схема замкнутого контура регулирования
ющих величину регулируемого параметра, - к управляющему устройству (например, от рецепторов скелетных мышц - к спинному и головному мозгу).
Таким образом, обратная связь (ее в физиологии еще называют обратной афферентацией) обеспечивает поступление к управляющему устройству сигнализации о величине (состоянии) регулируемого параметра. Она обеспечивает контроль за ответом эффекторов на управляющий сигнал и результатом действия. Например, если целью движения руки человека было раскрытие учебника физиологии, то обратная связь осуществляется проведением импульсации по афферентным нервным волокнам от рецепторов глаз, кожи и мышц в головной мозг. Такая импульсация обеспечивает возможность слежения за движениями руки. Благодаря этому нервная система может осуществлять коррекцию движения для достижения необходимого результата действия.
С помощью обратной связи (обратной афферентации) происходит замыкание регуляторного контура, объединение его элементов в замкнутую цепь - систему элементов. Только при наличии замкнутого контура регулирования возможно осуществление устойчивой регуляции параметров гомеостаза и приспособительных реакций.
Обратную связь подразделяют на отрицательную и положительную. В организме подавляющее число обратных связей - отрицательные. Это значит, что под влиянием поступающей по их каналам информации регулирующая система возвращает отклонившийся параметр к исходному (нормальному) значению. Таким образом, отрицательная обратная связь необходима для сохранения устойчивости уровня регулируемого показателя. В противоположность этому положительная обратная связь способствует изменению величины регулируемого параметра, переводу его на новый уровень. Так, в начале интенсивной мышечной нагрузки импульсация от рецепторов скелетных мышц способствует развитию увеличения уровня артериального кровяного давления.
Функционирование нейрогуморальных механизмов регуляции в организме не всегда направлено только на удержание го- меостатических констант на неизменном, строго стабильном уровне. В ряде случаев для организма жизненно важно, чтобы регулирующие системы перестроили свою работу и изменили величину гомеостатической константы, изменили так называемую «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 установочной точки гомеостатических регуляций помогает определить причину возникновения патологических процессов в организме, прогнозировать их развитие и найти правильный путь лечения и профилактики.
Рассмотрим это на примере оценки температурных реакций организма. Даже когда человек здоров, то величина температуры 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 терморегуляции. Но особенно ярко заявляет о себе наличие изменений установочной точки температуры сердцевины тела при ряде заболеваний человека. Например, при развитии инфекционных 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 организма на внедрение инфекции выработана филогенетически. Она полезна, так как при повышенной температуре иммунная система функционирует активнее, а условия развития инфекции ухудшаются. Вот почему не всегда следует назначать жаропонижающие средства при развитии лихорадки. Но поскольку 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 индивидуальное решение. Если при температуре тела 38,5 - 39 °С имеются такие признаки, как мышечная дрожь, озноб, когда человек кутается в одеяло, стремится согреться, то ясно, что механизмы терморегуляции продолжают мобилизацию всех источников теплопродукции и способов сохранения тепла в организме. Это значит, что еще не достигнута установочная точка и в ближайшее время температура тела будет расти, достигая опасных границ. Но если при той же температуре у больного появилось обильное потоотделение, исчезла мышечная дрожь и он раскрывается, то ясно, что установочная точка уже достигнута и механизмы терморегуляции будут препятствовать дальнейшему повышению температуры. В такой ситуации врач на определенное время в ряде случаев может воздержаться от назначения жаропонижающих средств.
Уровни регулирующих систем. Выделяют следующие уровни:
субклеточный (например, саморегуляция цепочек биохимических реакций, объединенных в биохимические циклы);
клеточный - регуляция внутриклеточных процессов с помощью биологически активных веществ (аутокриния) и метаболитов;
тканевый (паракриния, креаторные связи регуляция взаимодействия клеток: слипание, объединение в ткань, синхронизацию деления и функциональной активности);
органный - саморегуляция отдельных органов, функционирование их как единого целого. Такие регуляции осуществляются как за счет гуморальных механизмов (паракриния, креаторные связи), так и нервных клеток, тела которых находятся во внутриорганных вегетативных ганглиях. Эти нейроны взаимодействуют, составляя внутриорганные рефлекторные дуги. Вместе с тем через них реализуются и регу- ляторные влияния центральной нервной системы на внутренние 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 объединяются в более сложные, способные выполнять новые функции. При этом простые системы, как правило, подчиняются управляющим сигналам со стороны более сложных систем. Такое подчинение называют иерархией регулирующих систем.
Более подробно механизмы осуществления этих регуляций будут рассмотрены ниже.
Единство и отличительные особенности нервных и гуморальных регуляций. Механизмы регуляции физиологических функций традиционно подразделяют на нервные и гумораль
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 функционирования нервных центров, так и при передаче сигнальной информации эффекторным структурам. Достаточно сказать, что при осуществлении простейшего рефлекса как элементарного механизма нервных регуляций передача сигнализации с одной клетки на другую осуществляется посредством гуморальных факторов - нейромедиаторов. Чувствительность сенсорных рецепторов к действию раздражителей и функциональное состояние нейронов изменяется поддействием гормонов, нейромедиаторов, ряда других биологически активных веществ, а также простейших метаболитов и минеральных ионов (К + Na + СаCI -). В свою очередь, нервная система может запускать 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 приобретают большое разнообразие у многоклеточных и особенно у человека.
Нервные механизмы регуляций образовались филогенетически 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 распространения сигнальных молекул в жидкостях организма по принципу "всем, всем, всем", или принципу "радиосвязи"
Нервные регуляции осуществляются по принципу "письмо с адресом", или "телеграфной связи" Сигнализация передается от нервных центров к строго определенным структурам, например 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 (потенциала действия) в быстрых нервных волокнах достигает 120 м/с, вто время как скорость транспорта сигнальной моле-
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, сокращение скелетной мышцы). Реакция на многие гормональные сигналы более медленная. Например, проявление ответной реакции на действие гормонов щитовидной железы и коры надпочечников происходит через десятки минут и даже часы.
Гуморальные механизмы имеют преимущественное значение 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, приходящих от сенсорных рецепторов органов чувств, кожи и внутренних органов. Регулирует тонус и сокращения скелетных мышц, которые обеспечивают поддержание позы и перемещение тела в пространстве. Нервная система обеспечивает проявление таких психических функций, как ощущение, эмоции, мотивации, память, мышление, сознание, регулирует поведенческие реакции, направленные на достижение полезного приспособительного результата.
Несмотря на функциональное единство и многочисленные взаимосвязи нервных и гуморальных регуляций в организме, в целях удобства изучения механизмов осуществления этих регуляций рассмотрим их в отдельности.
Характеристика механизмов гуморальной регуляции в организме. Гуморальные регуляции осуществляются за счет передачи сигналов с помощью биологически активных веществ через жидкие среды организма. К биологически активным веществам организма относят: гормоны, нейромедиаторы, простагландины, цитокины, факторы роста, эндотелии, азота оксид и ряд других веществ. Для выполнения их сигнальной функции достаточно очень малого количества этих веществ. Например, гормоны выполняют свою регуляторную роль при концентрации их в крови в пределах Ю -7 -10 0 моль/л.
Гуморальные регуляции подразделяют на эндокринные и местные.
Эндокринные регуляции осуществляются благодаря функционированию желез внутренней секреции (эндокринных желез), которые представляют собой специализированные органы, выделяющие гормоны. Гормоны - биологически активные вещества, вырабатываемые эндокринными железами, переносимые кровью и оказывающие специфические регуляторные влияния на жизнедеятельность клеток и тканей. Отличительной особенностью эндокринных регуляций является 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 действие гормона может быть лишь со стороны тех клеток (мишеней), на мембранах, в цитозоле или ядре которых имеются рецепторы к соответствующему гормону.
Отличительной особенностью местных гуморальных регуляций является то, что биологически активные вещества, вырабатываемые клеткой, не поступают в кровоток, а действуют на продуцирующую их клетку и ее ближайшее окружение, распространяясь за счет диффузии по межклеточной жидкости. Такие регуляции подразделяют на регуляцию обмена веществ в клетке за счет метаболитов, аутокринию, пара- кринию, юкстакринию, взаимодействия через межклеточные контакты.
Регуляция обмена веществ в клетке за счет метаболитов. Метаболиты - конечные и промежуточные продукты процессов обмена веществ в клетке. Участие метаболитов в регуляции клеточных процессов обусловлено наличием в обмене веществ цепочек функционально связанных биохимических реакций - биохимических циклов. Характерно, что уже в таких биохимических циклах имеются главные признаки биологических регуляций, наличие замкнутого контура регулирования и отрицательной обратной связи, обеспечивающей замыкание этого контура. Например, цепочки таких реакций используются при синтезе ферментов и веществ, участвующих в образовании аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). АТФ- вещество, в котором аккумулируется энергия, легко используемая клетками для самых разных процессов жизнедеятельности: движения, синтеза органических веществ, роста, транспорта веществ через клеточные мембраны.
Аутокринный механизм. При таком типе регуляций синтезированная в клетке сигнальная молекула выходит через
Рецептор r t Эндокриния
о? м ooo
Аугокриния Паракриния Юкстакриния t
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 рецептору на мембране вызывает активацию этого рецептора, а он запускает целый каскад биохимических реакций в клетке, которые обеспечивают изменение ее жизнедеятельности. Аутокринная регуляция часто используется клетками иммунной и нервной систем. Этот путь ауторегуляции необходим для поддержания стабильного уровня секреции некоторых гормонов. Например, в предотвращении избыточной секреции инсулина Р-клетками поджелудочной железы имеет значение тормозное действие секретируемого ими же гормона на активность этих клеток.
Паракринный механизм. Осуществляется путем секреции клеткой сигнальных молекул, которые выходят в межклеточную жидкость и влияют на жизнедеятельность соседних клеток (рис. 2.2). Отличительной чертой этого вида регуляций является то, что в передаче сигнала имеется этап диффузии молекулы лиганда через межклеточную жидкость от одной клетки к другим соседним клеткам. Так, клетки поджелудочной железы, секретирующие инсулин, влияют на клетки этой железы, секретирующие другой гормон глюкагон. Факторы роста и интерлейкины влияют на клеточное деление, простагландины - на тонус гладких мышц, мобилизацию Са 2+ 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 жизнедеятельности должны постоянно получать специфические сигна-
ЛЬ1 от соседних клеток. Среди таких специфических сигналовособенноважны вещества - факторы роста(NGF). При длительномотсутствии воздействия этих сигнальных молекулнервныеклетки запускают программу самоуничтожения. Такой механизм клеточной смерти называют апоптозом.
Паракринная регуляция часто используется одновременно с аутокринной. Например, при передаче возбуждения в синапсах сигнальные молекулы, выделяемые нервным окончанием, связываютсяне только с рецепторами соседней клетки (на постсинаптической мембране), но и с рецепторами на мембране этого же нервного окончания (т.е. пресинаптической мембране).
Юкстакринный механизм. Осуществляется путем передачи сигнальных молекул непосредственно от наружной поверхности мембраны одной клетки на мембрану другой. Это происходит при условии непосредственного контакта (прикрепления, адгезионного сцепления) мембран двух клеток. Такое прикрепление происходит, например, при взаимодействии лейкоцитов и тромбоцитов с эндотелием кровеносных капилляров в месте, где имеется воспалительный процесс. На мембранах, выстилающих капилляры клеток, в месте воспаления появляются сигнальные молекулы, которые связываются с рецепторами определенных видов лейкоцитов. Такая связь приводит к активации прикрепления лейкоцитов к поверхности кровеносного сосуда. За этим может последовать целый комплекс биологических реакций, обеспечивающих переход лейкоцитов из капилляра в ткань и подавление ими воспалительной реакции.
Взаимодействия через межклеточные контакты. Осуществляются через межмембранные соединения (вставочные диски, нексусы). В частности, весьма распространена передача сигнальных молекул и некоторых метаболитов через щелевые контакты - нексусы. При образовании нексусов особые белковые молекулы (коннексоны) клеточной мембраны объединяются по 6 штук так, что формируют кольцо с порой внутри. На мембране соседней клетки (точно напротив) формируется такое же кольцевидное образование с порой. Две центральные поры, объединяясь, формируют канал, пронизывающий мембраны соседних клеток. Ширина канала достаточна для прохождения многих биологически активных веществ и метаболитов. Через нексусы свободно проходят ионы Са 2+ являющиеся мощными регуляторами внутриклеточных процессов.
Благодаря высокой электропроводности нексусы способствуют распространению локальных токов между соседними клетками и формированию функционального единства ткани. Особенно выражены такие взаимодействия в клетках сердечной мышцы и гладких мышц. Нарушение состояния межклеточных контактов приводит к патологии сердца, изме
нению тонуса мышц сосудов, слабости сокращения матки н изменению ряда других регуляций.
Межклеточные контакты, выполняющие роль упрочения физической связи между мембранами, называют плотными соединениями и адгезионными поясами. Такие контакты могут иметь вид кругового пояса, проходящего между боковыми поверхностями клетки. Уплотнение и увеличение прочности этих соединений обеспечивается прикреплением на поверхности мембран белков миозина, актинина, тропомиозина, винкулина и др. Плотные соединения способствуют объединению клеток в ткань, их слипанию и устойчивости ткани к механическим воздействиям. Они участвуют также в формировании барьерных образований организма. Плотные контакты особенно выражены между эндотелием, выстилающим сосуды головного мозга. Они уменьшают проницаемость этих сосудов для циркулирующих в крови веществ.
Во всех гуморальных регуляциях, осуществляемых с участием специфических сигнальных молекул, важную роль играют клеточные и внутриклеточные мембраны. Поэтому для понимания механизма гуморальных регуляций необходимо знать элементы физиологии клеточных мембран.
Рис. 2.3. Схема строения клеточной мембраны
Белок-переносчик
(вторично-активный
транспорт)
Мембранный белок
Белок РКС
Двойной слой фосфолипидов
Антигены
Внеклеточная поверхность
Внутриклеточная среда
Особенности строения и свойства клеточных мембран. Для всех клеточных мембран характерен один принцип строения (рис. 2.3). Их основу составляют два слоя липидов (молекул жиров, среди которых больше всего фосфолипидов, но имеется также холестерол и гликолипиды). Молекулы мембранных липидов имеют головку (участок, притягивающий воду и стремящийся взаимодействовать с ней, называемый гидрофильным) и хвост, который является гидрофобным (отталкивается от молекул воды, избегает их соседства). В результате такого различия свойств головки и хвоста липидных молекул последние при попадании на поверхность воды выстраиваются рядами: головка к головке, хвост к хвосту и образуют двойной слой, в котором гидрофильные головки обращены к воде, а гидрофобные хвосты - друг к другу. Хвосты находятся внутри этого двойного слоя. Наличие липидного слоя образует замкнутое пространство, изолирует цитоплазму от окружающей водной среды и создает препятствие для прохождения воды и растворимых в ней веществ через клеточную мембрану. Толщина такого липидного бислоя составляет около 5 нм.
В состав мембран также входят белки. Их молекулы по объему и по массе в 40-50 раз больше, чем молекулы мембранных липидов. За счет белков толщина мембраны достигает?-10 нм. Несмотря на то что суммарные массы белков и липидов в большинстве мембран почти равны, количество молекул белков в мембране в десятки раз меньше, чем молекул липидов. Обычно белковые молекулы расположены разрозненно. Они как бы растворены в мембране, могут в ней смещаться и изменять свое положение. Это послужило поводом к тому, что строение мембраны назвали жидкостно-мозаичным. Молекулы липидов тоже могут смещаться вдоль мембраны и даже перепрыгивать из одного липидного слоя в другой. Следовательно, мембрана имеет признаки текучести и вместе с тем обладает свойством самосборки, может восстанавливаться 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 интегральными. Есть также белки, только частично погруженные в мембрану 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 имеется около 100 разных белков. Среди важнейших функций мембранных белков отмечаются: 1) рецепторная - взаимодействие с сигнальными молекулами и передача сигнала в клетку; 2) транспортная - перенос веществ через мембраны и обеспечение обмена между цитозолем и окружающей средой. Существует несколько разновидностей белковых молекул (транслоказ), обеспечивающих трансмембранный транспорт. Среди них есть белки, формирующие каналы, которые пронизывают мембрану и через них идет диффузия определенных веществ между цитозолем и внеклеточным пространством. Такие каналы чаще всего ионоселективные, т.е. пропускают ионы только одного вещества. Есть также каналы, избирательность которых меньшая, например они пропускают ионы Na + и К + , К + и С1~. Есть также белки-переносчики, которые обеспечивают транспорт вещества через мембрану за счет изменения своего положения в этой мембране; 3) адгезивная - белки совместно с углеводами участвуют в осуществлении адгезии (слипание, склеивание клеток при иммунных реакциях, объединение клеток в слои и ткани); 4) ферментативная - некоторые встроенные в мембрану белки выполняют роль катализаторов 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 структуры прикреплен к внутренней поверхности мембраны эритроцита и имеет связь с внутриклеточными белками, составляющими цитоскелет. Это придает эритроцитам эластичность, способность менять и восстанавливать форму при прохождении через кровеносные капилляры.
Углеводы составляют лишь 2-10% от массы мембраны, количество их в разных клетках изменчиво. Благодаря углеводам осуществляются некоторые виды межклеточных взаимодействий, они принимают участие в узнавании клеткой чужеродных антигенов и совместно с белками создают своеобразную антигенную структуру поверхностной мембраны собственной клетки. По таким антигенам клетки узнают друг друга, объединяются в ткань и на короткое время слипаются для передачи сигнальных молекул. Соединения белков с сахарами называют гликопротеинами. Если же углеводы соединяются с липи- дами, то такие молекулы называют гликолипидами.
Благодаря взаимодействию входящих в мембрану веществ и относительной упорядоченности их расположения клеточная мембрана приобретает ряд свойств и функций, не сводимых к простой сумме свойств образующих ее веществ.
Функцииклеточных мембран и механизмы их реализа-
К основным функциям клеточных мембран относят- с оздание оболочки (барьера), отделяющего цитозоль от
^жающей среды, и определение границ и формы клетки;о\ беспечениемежклеточных контактов, сопровождающихсяпанием мембран (адгезия). Межклеточная адгезия важна ° я объединенияоднотипных клеток в ткань, образования гис-гематических барьеров, осуществления иммунных реакций;^ч 0 бнару>кение сигнальных молекул и взаимодействие с ними, а такжепередача сигналов внутрь клетки; 4) обеспечение мембраннымибелками-ферментами катализа биохимическихреакций, идущих в примембранном слое. Некоторые из этихбелковвыполняют также и роль рецепторов. Связь лиганда стакимрецептором активирует его ферментативные свойства; 5) обеспечение поляризации мембраны, генерация разностиэлектрических потенциалов между наружной и внутреннейстороной мембраны; 6) создание иммунной специфичности клетки за счет наличия в структуре мембраны антигенов. Роль антигенов, как правило, выполняют выступающие над поверхностью мембраны участки белковых молекул и связанные с ними молекулы углеводов. Иммунная специфичность имеет значение при объединении клеток в ткань и взаимодействии с клетками, осуществляющими иммунный надзор в организме; 7) обеспечение избирательной проницаемости веществ через мембрану и транспорта их между цитозолем и окружающей средой (см. ниже).
Приведенный перечень функций клеточных мембран свидетельствует о том, что они принимают многогранное участие в механизмах нейрогуморальных регуляций в организме. Без знания ряда явлений и процессов, обеспечиваемых мембранными структурами, невозможно понимание и осознанное выполнение некоторых диагностических процедур и лечебных мероприятий. Например, для правильного применения многих лекарственных веществ необходимо знание того, в какой мере каяедое из них проникает из крови в тканевую жидкость и в цитозоль.
Диффуз ия и транспорт веществ через клеточные Мембраны. Переход веществ через клеточные мембраны осу- ствляется за счет разных видов диффузии, или активного
транспорта.
Простая диффузия осуществляется за счет градиентов концентрации определенного вещества, электрического заряда или осмотического давления между сторонами клеточной мембраны. Например, среднее содержание ионов натрия в плазме крови составляет 140 мМ/л, а в эритроцитах - приблизительно в 12 раз меньше. Эта разность концентрации (градиент) создает движущую силу, которая обеспечивает переход натрия из плазмы в эритроциты. Однако скорость такого перехода мала, так как мембрана имеет очень низкую проницаемость для ионовNa + Гораздо больше проницаемость этой мембраны для калия. На процессы простой диффузии не затрачивается энергия клеточного метаболизма. Прирост скорости простой диффузии прямо пропорционален градиенту концентрации вещества между сторонами мембраны.
Облегченная диффузия, как и простая, идет по градиенту концентрации, но отличается от простой тем, что в переходе вещества через мембрану обязательно участвуют специфические молекулы-переносчики. Эти молекулы пронизывают мембрану (могут формировать каналы) или, по крайней мере, с ней связаны. Транспортируемое вещество должно связаться с переносчиком. После этого переносчик меняет свою локализацию в мембране или свою конформацию таким образом, что доставляет вещество на другую сторону мембраны. Если для трансмембранного перехода вещества необходимо участие переносчика, то вместо термина "диффузия" часто используют терминтранспорт вещества через мембрану.
При облегченной диффузии (в отличие от простой), если происходит увеличение градиента трансмембранной концентрации вещества, то скорость перехода его через мембрану возрастает лишь до момента, пока не будут задействованы все мембранные переносчики. При дальнейшем увеличении такого градиента скорость транспорта будет оставаться неизменной; это называют явлением насыщения. Примерами транспорта веществ путем облегченной диффузии могут служить: перенос глюкозы из крови в мозг, реабсорбция аминокислот и глюкозы из первичной мочи в кровь в почечных канальцах.
Обменная диффузия - транспорт веществ, при котором может происходить обмен молекулами одного и того же вещества, находящимися по разные стороны мембраны. Концентрация вещества с каждой стороны мембраны остается при этом неизменной.
Разновидностью обменной диффузии является обмен молекулы одного вещества на одну или более молекул другого вещества. Например, в гладкомышечных волокнах сосудов и бронхов одним из путей удаления ионов Са 2+ из клетки является обмен их на внеклеточные ионыNa + На три иона входящего натрия из клетки удаляется один ион кальция. Создается взаимообусловленное движение натрия и кальция через мембрану в противоположных направлениях (этот вид транспорта называют антипортом). Таким образом клетка освобождается от избыточного Са 2+ , а это является необходимым условием для расслабления гладкомышечного волокна. Знание механизмов транспорта ионов через мембраны и способов влияния на этот транспорт - непременное условие не только для понимания механизмов регуляции жизненных функций, но и правильного выбора лекарственных препаратов для лечения большого числа заболеваний (гипертонической болезни, бронхиальной астмы, сердечных аритмий, нарушений водно- солевого обмена и др.).
Активный транспорт отличается от пассивного тем, что идет против градиентов концентрации вещества, используя энергию АТФ, образующуюся за счет клеточного метаболизма. Благодаря активному транспорту могут преодолеваться силы не только концентрационного, но и электрического градиента. Например, при активном транспортеNa + из клетки наружу преодолевается не только концентрационный градиент (снаружи содержаниеNa + в 10-15 раз больше), но и сопротивление электрического заряда (снаружи клеточная мембрана у абсолютного большинства клеток заряжена положительно, и это создает противодействие выходу положительно заряженногоNa + из клетки).
Активный транспорт Na + обеспечивается белкомNa + , К + зависимой АТФазой. В биохимии окончание "аза" добавляется к названию белка в том случае, если он обладает ферментативными свойствами. Таким образом, названиеNa + , К + -зависи- мая АТФаза означает, что это вещество - белок, который расщепляет аденозинтрифосфорную кислоту только при обязательном наличии взаимодействия с ионамиNa + и К + Энергия, освобождаемая в результате расщепления АТФ, идет на вынос из клетки трех ионов натрия и транспорт внутрь клетки двух ионов калия.
Имеются также белки, осуществляющие активный транспорт ионов водорода, кальция и хлора. В волокнах скелетных мышц Са 2+ -зависимая АТФаза встроена в мембраны сарко- плазматического ретикулума, который образует внутриклеточные емкости (цистерны, продольные трубочки), накапливающие Са 2+ Кальциевый насос за счет энергии расщепления АТФ переносит ионы Са 2+ из саркоплазмы в цистерны ретикулума и может создавать в них концентрацию Са + приближающуюся к 1(Г 3 М, т.е. в 10 ООО раз большую, чем в саркоплазме волокна.
Вторично-активный транспорт характеризуется тем, что перенос вещества через мембрану идет за счет градиента концентрации другого вещества, для которого имеется механизм активного транспорта. Чаще всего вторично-активный транспорт происходит за счет использования градиента натрия, т.е.Na + идет через мембрану в сторону его меньшей концентрации и тянет за собой другое вещество. При этом обычно используется встроенный в мембрану специфический белок- переносчик.
Например, транспорт аминокислот и глюкозы из первичной мочи в кровь, осуществляемый в начальном участке почечных канальцев, происходит благодаря тому, что белок-переносчик мембраны канальцевого эпителия связывается с аминокислотой и ионом натрия и только тогда изменяет свое положение в мембране таким образом, что переносит аминокислоту и натрий в цитоплазму. Для наличия такого транспорта необходимо, чтобы снаружи клетки концентрация натрия была гораздо больше, чем внутри.
Для понимания механизмов гуморальных регуляций в организме необходимо знание не только структуры и проницаемости клеточных мембран для различных веществ, но и структуры и проницаемости более сложных образований, находящихся между кровью и тканями различных органов.
Физиология гистогематических барьеров (ГГБ). Гисто- гематические барьеры - это совокупность морфологических, физиологических и физико-химических механизмов, функционирующих как единое целое и регулирующих взаимодействия крови и органов. Гистогематические барьеры участвуют в создании гомеостаза организма и отдельных органов. Благодаря наличию ГГБ каждый орган живет в своей особой среде, которая может значительно отличаться от плазмы крови по составуотдельныхингредиентов. Особенно мощные барьеры существуют между кровью и мозгом, кровью и тканью половых желез,кровьюи камерной влагой глаза. Непосредственный контакт с кровьюимеет слой барьера, образованный эндотелием кровеносныхкапилляров, далее идет базальная мембрана сперицитами (средний слой) изатем - адвентициальные клетки органов и тканей (наружный слой). Гистогематические барьеры,изменяясвою проницаемость для различных веществ, могут ограничивать или же облегчать их доставку к органу. Для рядатоксичныхвеществ они непроницаемы. В этом проявляется их защитная функция.
Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) - это совокупность морфологических структур, физиологических и физико- химических механизмов, функционирующих как единое целое и регулирующих взаимодействие крови и ткани мозга. Морфологической основой ГЭБ является эндотелий и базальная мембрана мозговых капилляров, интерстициальные элементы и гликокаликс, нейроглия, своеобразные клетки которой (аст- роциты) охватывают своими ножками всю поверхность капилляра. В барьерные механизмы входят также транспортные системы эндотелия капиллярных стенок, включающие пино- и экзоцитоз, эндоплазматическую сеть, образование каналов, ферментные системы, модифицирующие или разрушающие поступающие вещества, а также белки, выполняющие функцию переносчиков. В структуре мембран эндотелия капилляров мозга, так же как и в ряде других органов, обнаружены белки аквапорины, создающие каналы, избирательно пропускающие молекулы воды.
Капилляры мозга отличаются от капилляров других органов тем, что эндотелиальные клетки образуют непрерывную стенку. В местах контакта наружные слои эндотелиальных клеток сливаются, образуя так называемые плотные контакты.
Среди функций ГЭБ выделяют защитную и регулирующую. Он защищает мозг от действия чужеродных и токсичных веществ, участвует в транспорте веществ между кровью и мозгом и создает тем самым гомеостаз межклеточной жидкости мозга и ликвора.
Гематоэнцефалический барьер обладает избирательной проницаемостью для различных веществ. Некоторые биологически активные вещества (например, катехоламины) практически не проходят через этот барьер. Исключение составляют лишь небольшие участки барьера на границе с гипофизом, эпифизом и некоторыми участками гипоталамуса, где проницаемость ГЭБ для всех веществ высокая. В этих областях обнаружены пронизывающие эндотелий щели или каналы, по которым проникают вещества из крови во внеклеточную жидкость мозговой ткани или в сами нейроны.
Высокая проницаемость ГЭБ в этих областях позволяет биологически активным веществам достигать тех нейронов гипоталамуса и железистых клеток, на которых замыкается регу- ляторный контур нейроэндокринных систем организма.
Характерной чертой функционирования ГЭБ является регуляция проницаемости для веществ адекватно сложившимся условиям. Регуляция идет за счет: 1) изменения площади открытых капилляров, 2) изменения скорости кровотока, 3) изменения состояния клеточных мембран и межклеточного вещества, активности клеточных ферментных систем, пино-и экзоцитоза.
Считается, что ГЭБ, создавая значительное препятствие для проникновения веществ из крови в мозг, вместе с тем хорошо пропускает эти вещества в обратном направлении из мозга в кровь.
Проницаемость ГЭБ для различных веществ сильно различается. Жирорастворимые вещества, как правило, проникают через ГЭБ легче, чем водорастворимые. Относительно легко проникают кислород, углекислый газ, никотин, этиловый спирт, героин, жирорастворимые антибиотики (хлорамфени- кол и др.).
Нерастворимые в липидах глюкоза и некоторые незаменимые аминокислоты не могут проходить в мозг путем простой диффузии. Они узнаются и транспортируются специальными переносчиками. Транспортная система настолько специфична, что различает стереоизомеры D- иL-глюкозы.D-глюкоза транспортируется, аL-глюкоза - нет. Этот транспорт обеспечивается встроенными в мембрану белками-переносчиками. Транспорт нечувствителен к инсулину, но подавляется цитохолазином В.
Аналогичным образом транспортируются большие нейтральные аминокислоты (например, фенилаланин).
Есть и активный транспорт. Например, за счет активного транспорта против градиентов концентрации переносятся ионы Na + К + , аминокислота глицин, выполняющая функцию тормозного медиатора.
Приведенные материалы характеризуют способы проникновения биологически важных веществ через биологические барьеры. Они необходимы для понимания гуморальных регуляций в организме.
Контрольные вопросы и задания
Каковы основные условия сохранения жизнедеятельности организма?
Каково взаимодействие организма с внешней средой? Дайте определение понятия адаптации к среде существования.
Какова внутренняя среда организма и ее составляющие?
Что такое гомеостаз и гомеостатические константы?
Назовите границы колебаний жестких и пластичных гомео- статических констант. Дайте определение понятия об их циркад- ных ритмах.
Перечислите важнейшие понятия теории гомеостатических регуляций.
7 Дайте определение раздражения и раздражителей. Как классифицируются раздражители?
В чем различие понятия "рецептор" с молекулярно-биологической и морфофункциональной точки зрения?
Дайте определение понятия лигандов.
Что такое физиологические регуляции и замкнутый контур регулирования? Каковы его составляющие?
Назовите виды и роль обратных связей.
Дайте определение понятия об установочной точке гомеостатических регуляций.
Какие существуют уровни регулирующих систем?
В чем заключаются единство и отличительные особенности нервных и гуморальных регуляций в организме?
Какие существуют виды гуморальных регуляций? Дайте их характеристику.
Каково строение и свойства клеточных мембран?
17 Каковы функции клеточных мембран?
В чем заключаются диффузия и транспорт веществ через клеточные мембраны?
Дайте характеристику и приведите примеры активного мембранного транспорта.
Дайте определение понятия гистогематических барьеров.
Что такое гематоэнцефалический барьер и какова его роль? t;
Нервная регуляция осуществляется нервной системой, головным и спинным мозгом через нервы, которыми снабжены все органы нашего тела. На организм постоянно воздействуют те или иные раздражения. На все эти раздражения организм отвечает определенной деятельностью или как принято творить, происходит приспособление функции организма к постоянно меняющимся условиям внешней среды. Так, понижение температуры воздуха сопровождается не только сужением кровеносных сосудов, но и усилением обмена веществ в клетках и тканях и следовательно, повышением теплообразования. Благодаря этому устанавливается определенное равновесие между теплоотдачей теплообразованием, не происходит переохлаждение организма, сохраняется постоянство температуры тела. Раздражение пищей вкусовых рецепторов полос га рта вызывает отделение слюны и других пищеварительных соков. под воздействием которых происходит переваривание пищи. Благодаря этому в клетки и ткани поступают необходимые вещества, и устанавливается определенное равновесие между диссимиляцией и ассимиляцией. По такому принципу происходит регуляция и других функции организма.
Нервная регуляция носит рефлекторный характер. Различные раздражения воспринимаются рецепторами. Возникающее возбуждение из рецепторов по чувствительным нервам передается в центральную нервную, систему, а оттуда по двигательным нервам - в органы, которые осуществляют определенную деятельность. Такие ответные реакции организма на раздражения, осуществляемые через центральную нервную систему. называют рефлексами. Путь же, по которому возбуждение передается при рефлексе, носит название рефлекторной дуги. Рефлексы имеют разнообразный характер. И.П. Павлов разделил все рефлексы на безусловные и условные. Безусловные рефлексы - это рефлексы врожденные, передающиеся по наследству. Примером таких рефлексов являются сосудодвигательные рефлексы (сужение или расширение сосудов в ответ на раздражение кожи холодом или теплом), рефлекс слюноотделения (выделение слюны при раздражении вкусовых сосочков пищей) и многие другие.
Условные рефлексы - рефлексы приобретенные, они вырабатываются на протяжении жизни животного или человека. Эти рефлексы возникают
только при определенных условиях и могут исчезать. Примером условных рефлексов является отделение слюны при виде нищи, при ощущении запахов пищи, а у человека даже при разговоре о ней.
Гуморальная регуляция (Humor - жидкость) осуществляется через кровь и другие жидкое и, составляющие внутреннюю среду организма, различными химическими веществами, которые вырабатываются в самом организме или поступают из внешней среды. Примерами таких веществ являются гормоны, выделяемые железами внутренней секреции, и витамины, поступающие в организм с пищей. Химические вещества разносятся кровью но всему организму и оказывают воздействие на различные функции, в частности на обмен веществ в клетках и тканях. При этом каждое вещество влияет на определенный процесс, происходящий и том или ином органе.
Нервный и гуморальный механизмы регуляции функций взаимосвязаны. Так, нервная система оказывает регулирующее влияние на органы не только непосредственно через нервы, но также и через железы внутренней секреции, изменяя интенсивность образования гормонов в этих Органах и поступление их в кровь.
В свою очередь многие гормоны и другие вещества влияют на нервную систему.
В живом организме нервная и гуморальная регуляция различных функций осуществляется по принципу саморегуляции, т.е. автоматически. По этому принципу регуляции поддерживается па определенном уровне кровяное давление, постоянство состава и физико-химических свойств крови, температура тела. в строго согласованном порядке изменяется обмен веществ, деятельность сердца, дыхательной и других систем органов во время физической работы и т.д.
Благодаря этому поддерживаются определенные сравнительно постоянные условия, в которых протекает деятельность клеток и тканей организма или другими словами, сохраняется постоянство внутренней среды.
Следует отметить, что у человека ведущую роль в регуляции жизнедеятельности организма играет нервная система.
Таким образом, организм человека это единая, целостная, сложно устроенная, саморегулирующаяся и саморазвивающаяся биологическая система, обладающая определенными резервными возможностями. При этом
знать, что способность к выполнению физической работы может возрастать многократно, но до определенного придела. Тогда как умственная деятельность фактически не имеет ограничений в своем развитии.
Систематическая мышечная деятельность позволяет путем совершенствования физиологических функций мобилизовать резервы организма, о существовании которых многие даже не догадываются. Следует отметить существование обратного процесса падение функциональных возможностей организма и ускоренное старение при снижении физической активности.
В ходе физических упражнений совершенствуется высшая нервная деятельность, функции центральной нервной системы. нервно-мышечной. сердечно-сосудистой, дыхательной, выделительной и других систем, обмен веществ и энергии, а также система их нейрогуморального регулирования.
Человеческий организм, используя свойства саморегулирования внутренних процессов под внешним воздействием, реализует важнейшее свойство - адаптацию к изменяющимся внешним условиям, что является определяющим фактором в способности развития физических качеств и двигательных навыков в процессе тренировок.
Рассмотрим более подробно характер физиологических изменении в процессе тренировок.
Физическая нагрузка приводит к многообразным изменениям обмена веществ, характер которых зависит от длительности, мощности работы и количества участвующих мышц. При физической нагрузке преобладают катаболические процессы, мобилизация и использование энергетических субстратов, происходит накопление промежуточных продуктов обмена. Период отдыха характеризуется преобладанием анаболических процессов, накоплением резерва питательных веществ, усиленным синтезом белков.
Скорость восстановления находится в зависимости от величины возникающих во время работы изменении, то есть от величины нагрузки.
В период отдыха ликвидируются возникшие во время мышечной деятельности изменения обмена веществ. Если при физической нагрузке преобладают катаболические процессы, мобилизация и использование энергетических субстратов, происходит накопление промежуточных продуктов обмена, то период отдыха характеризуются преобладанием анаболических процессов, накоплением резерва питательных веществ, усиленным синтезом белков.
В после рабочий период возрастает интенсивность аэробного окисления, повышено потребление кислорода, т.е. ликвидируется кислородный долг. Субстратом окисления служат промежуточные продукты обмена, образовавшиеся в процессе мышечной деятельности, молочная кислота, кетоновые тела, кетокислоты. Запасы углеводов при физической работе, как правило, существенно снижаются, поэтому основным субстратом окисления становятся жирные кислоты. Благодаря усиленному использованию липидов в восстановительный период снижается дыхательный коэффициент.
Восстановительный период характеризуется усиленным биосинтезом белков, который угнетается во время физической работы, увеличивается также образование и выведение из организма конечных продуктов белкового обмена (мочевина и др.).
Скорость восстановления находится в зависимости от величины возникающих во время работы изменений, т.е. от величины нагрузки, что схематически представлено на рис. 1
Рис.1 Схема процессов расходования и восстановления источников
энергии при мышечной деятельности ратной интенсивности
Восстановление изменений, возникающих под влиянием нагрузок малой и средней интенсивности, идет медленнее, чем после нагрузок повышенной и предельной интенсивности, что объясняется более глубокими изменениями в период работы. После повышенных по интенсивности нагрузок наблюдаемый показатель обмена, веществ не только достигает исходного уровня, но и превышает его. Такое повышение выше исходного уровня получило название сверхвосстановления (суперкомпенсации) . Оно регистрируется только тогда, когда нагрузка, превышает по величине определенный уровень, т.е. тогда, когда возникающие изменения обмена оказывают влияние на генетический аппарат клетки. Выраженность сверхвостановления и его длительность находятся в прямой зависимости от интенсивности нагрузки.
Явление сверхвоееттиювления является важным: механизмом приспособления (органа) к изменившимся условиям функционирования и имеет важное значение для понимания биохимических основ спортивной тренировки. Следует отметить, что как общебиологическая закономерность, распространяется не только на накопление энергетического материала, но и на синтез белков, что, в частности, проявляется в виде рабочей гипертрофии скелетных мышц, сердечной мышщы. После интенсивной нагрузки усиливается синтез ряда ферментов (индукция ферментов) возрастает концентрация креатинфосфата, миоглобина, происходит ряд других изменений.
Установлено, что активная мышечная деятельность вызывает усиление деятельности сердечно-сосудистой, дыхательной и других систем организма. При любой деятельности человека все органы и системы организма действуют согласованно, в тесном единстве. Эта взаимосвязь осуществляется с помощью нервной системы и гуморальной (жидкостной) регуляции.
Нервная система осуществляет регуляцию деятельности организма посредством биоэлектрических импульсов. Основными нервными процессами являются возбуждение и торможение, возникающие в нервных клетках. Возбуждение - деятельное состояние нервных клеток, когда они передают ил» направляют сами нервные импульсы другим клеткам: нервным, мышечным, железистым и другим. Торможение - состояние нервных клеток, когда их активность направлена на восстановление., Сон, например, является состоянием нервной системы, когда подавляющее число нервных клеток ЦНС заторможено.
Гуморальная регуляция производится через кровь посредством особых химических веществ (гормонов), выделяемых железами внутренней секреции, соотношением концентрации СО2 и О2 с помощью других механизмов. Например, в предстартовом состоянии, когда ожидается интенсивная физическая нагрузка, железы внутренней секреции (надпочечники) выделяют в кровь специальный гормон-адреналин, который способствует усилению деятельности сердечно-сосудистой системы.
Гуморальная и нервная регуляция осуществляются в единстве. Главенствующая роль отводится ЦНС, головному мозгу, являющемуся как бы центральным штабом управления жизнедеятельностью организма.
Единство и целостность всего организма, всех его функций обеспечивается действием механизмов регуляции. Один из них - гуморальный, или химический, механизм регуляции появился на раннем этапе развития живых существ. Его суть заключается в том, что в клетках и органах в результате процессов обмена веществ образуются те или иные продукты расщепления и синтеза. Они различаются по химическому составу, по физиологическому действию. Некоторые из этих веществ обладают большой физиологической активностью, т.е. в очень малых концентрациях способны вызвать значительные изменения жизнедеятельности организма (например, гормоны).
Химические вещества разносятся кровью по всему организму, благодаря чему могут оказывать влияние на клетки и ткани, удаленные от тех, в которых они образовались. Вещества, циркулирующие в крови, адресованы всем клеткам. Но одни клетки более чувствительны к одним веществам, другие - к другим, т.е. в основе гуморальной регуляции лежит избирательная чувствительность клеток и тканей. Недостаток или избыток веществ определенной химической природы может угнетать, тормозить деятельность одних органов и активизировать работу других.
Особенности гуморальной регуляции:
- 1. не имеет точного адресата - с током биологических жидкостей вещества могут доставляться к любым клеткам организма;
- 2. скорость доставки информации небольшая - определяется скоростью тока биологических жидкостей - 0,5-5 м/с;
- 3. продолжительность действия.
Второй механизм регуляции, появившийся на более поздней ступени развития живых существ, - это нервный механизм. Он объединяет, согласует, регулирует деятельность различных клеток, тканей, органов, приспосабливая их к внешним условиям жизни организма, и поддерживает равновесие внутренней среды - гомеостаз.
Нервный механизм в качестве средства управления, передачи информации использует потенциалы возбуждения (ПД, импульсы), которые объединяются в определенные паттерны («рисунки» возбуждения) по частоте, набору в «пачках», характеристикам межимпульсных интервалов и кодируют необходимую информацию. Показано, что паттерны возбуждений гипоталамических нейронов при формировании мотивации голода специфичны и существенно отличаются от столь же специфичных паттернов возбуждений нейронов, ответственных за формирование мотивации жажды.
Особенности нервной регуляции:
- 1. имеет точного адресата - сигналы доставляются к строго определенным органам и тканям;
- 2. большая скорость доставки информации - скорость передачи нервного импульса - до 120 м/с;
- 3. кратковременность действия.
В естественных условиях нервный и гуморальный механизмы работают как единый нейрогуморальный механизм управления.
Нейрогуморальный механизм управления представляет собой комбинированную форму, в которой одновременно используются гуморальный и нервный механизмы; оба взаимосвязаны и взаимообусловлены. Так, передача управляющих воздействий с нерва на иннервируемые структуры осуществляется с помощью химических посредников -- медиаторов, действующих на специфические рецепторы. Еще более тесная и сложная связь обнаружена в некоторых ядрах гипоталамуса. Нервные клетки этих ядер приходят в активное состояние при изменении химических и физико-химических показателей крови. Активность этих клеток вызывает образование и выделение химических факторов, стимулирующих восстановление исходных характеристик крови. Так, на повышение осмотического давления плазмы крови реагируют специальные нервные клетки супраоптического ядра гипоталамуса, активность которых приводит к выделению в кровь антидиуретического гормона, усиливающего реабсорбцию воды в почках, что обусловливает снижение осмотического давления.
Взаимодействие гуморального и нервного механизмов создает интегративный вариант управления, способный обеспечить адекватное изменение функций от клеточного до организменного уровней при изменении внешней и внутренней среды.
В основе нервного механизма управления лежит рефлекс -- ответная реакция организма на изменения внутренней и внешней среды, осуществляемая при участии центральной нервной системы. Управление посредством рефлексов предусматривает использование двух форм.
Местные рефлексы осуществляются через ганглии автономной нервной системы, которые рассматриваются как нервные центры, вынесенные на периферию. За счет местных рефлексов происходит управление, например моторной и секреторной функциями тонкой и толстой кишки.
Центральные рефлексы протекают с обязательным вовлечением различных уровней центральной нервной системы (от спинного мозга до коры большого мозга). Примером таких рефлексов является выделение слюны при раздражении рецепторов полости рта, опускание века при раздражении склеры глаза, отдергивание руки при раздражении кожи пальцев и др.
В естественных условиях нервный и гуморальный механизмы едины и, образуя нейрогуморальный механизм, реализуются в разнообразных комбинациях, наиболее полно обеспечивающих адекватное уравновешивание организма со средой обитания. Например, физиологически активные вещества, поступая в кровь, несут информацию в ЦНС об отклонении какой-либо функции. Под влиянием этой информации формируется поток управляющих нервных импульсов к эффекторам для коррекции отклонения.
В других случаях поступление информации в ЦНС по нервным каналам приводит к выделению гормонов, корригирующих возникшие отклонения. Нейрогуморальный механизм создает в процессах управления многозвенные кольцевые связи, где различные формы гуморального механизма сменяются и дополняются нервными, а последние обеспечивают включение гуморальных.
В основе нервной и гуморальной регуляции лежит принцип кольцевой связи, который в биологических системах был приоритетно показан советским физиологом П.К.Анохиным. В свою очередь данный принцип положен в основу саморегуляции организма.
