Основные элементы системы саморегуляции организма и их функции

Вещества-регуляторы — химические сигналы системы саморегуляции организма

Совокупность регуляторных систем организма (нервной, иммунной и эндокринной), которые возникли в ходе эволюции животных фактически одновременно, — это система саморегуляции организма. Она регулирует все процессы жизнедеятельности и обеспечивает самосохранение организма. В каждой из регуляторных систем можно выделить сходные элементы: отдельные клетки, скопления клеток и органы, специализирующиеся на регуляции процессов жизнедеятельности. Это отражает определенные этапы формирования регуляторных систем в филогенезе.

Коммуникативными сигналами регуляторных систем являются, во-первых, химические сигналы, или вещества-регуляторы, выделяемые во внутреннюю среду организма: кровь, лимфу, межклеточную жидкость, а во-вторых, электрические сигналы, генерируемые нейронами нервной системы в виде потенциалов действия, распространяющихся по нервной и мышечной тканям. В химических синапсах, как структурах, образованных в местах контакта друг с другом нейронов или нейронов и волокон мышечных тканей: поперечно-полосатой (скелетной), гладкой, сердечной (миокарда), эти электрические сигналы трансформируются в химические сигналы — нейротрансмиттеры (нейромедиаторы). Они, в свою очередь, вызывают генерацию электрических сигналов в клетках возбудимых тканей или изменяют функциональное состояние клеток внутренних органов.

Вещества-регуляторы — это молекулы различной химической природы, которые секретируются во внутреннюю среду организма одними клетками, а избирательно взаимодействуют с другими клетками организма — клетками-мишенями, имеющими белки-рецепторы, специфичные определенным веществам-регуляторам, т. е. вещества-регуляторы являются лигандами рецепторов клеток-мишеней. Вещества-регуляторы являются химическим сигналом, генерируемым клетками, выделяющими эти вещества.

Клетки, выделяющие вещества-регуляторы, относятся к разным регуляторным системам организма. Такие вещества-регуляторы, как гормоны, выделяются специализированными на их синтезе органами — железами внутренней секреции (ЖВС). Клетки диффузной нейроиммунноэндокринной системы (ДНИЭС), расположенные в разных органах, в том числе и органах нервной и иммунной системы, выделяют тканевые гормоны и цитокины. Клетки иммунной системы также секретируют цитокины и эйкозаноиды, а нейронами в синапсах выделяются нейромедиаторы. В конечных результатах взаимодействия веществ-регуляторов с их клетками-мишенями проявляется взаимодействие различных регуляторных систем как элементов системы саморегуляции организма при управлении ими состоянием каждой клетки организма и уровнем ее функциональной активности.

В зависимости от расстояния между местом расположения клеток, секретирующих вещества-регуляторы, и локализацией клеток, с которыми взаимодействуют эти вещества, различают химические сигналы, обладающие телекринным, паракринным и аутокринным действием. Вещества-регуляторы, действующие телекринно, выделяются в кровь из секретирующих их клеток, и кровоток обеспечивает их перемещение к клеткам-мишеням, расположенным, как правило, далеко от места синтеза этих веществ. При паракринном действии вещества-регуляторы поступают в межклеточную жидкость и, перемещаясь за счет диффузии, присоединяются к рецепторам соседних клеток. Вещества, действующие аутокринно, выделяясь из клетки, присоединяются к рецепторам той же клетки, где они были синтезированы. Одни и те же вещества могут обладать как теле-, так и паракринным действием, или параи аутокринным действием.

Различные вещества-регуляторы объединяет сходство способа их взаимодействия с клетками-мишенями и сходство вариантов конечных результатов этого взаимодействия. Способ взаимодействия веществрегуляторов с клетками-мишенями — это их присоединение к специфичным им белкам-рецепторам клеток, т. е. вещества-регуляторы являются сигналами, обладающими избирательным, «мишенным» действием. При этом уровень (интенсивность) передаваемого сигнала регулируется количеством белков-рецепторов в клетке-мишени, т. е. зависит от интенсивности их биосинтеза в клетке. Наличие в геноме клеток информации о белках-рецепторах и экспрессия в дифференцированной клетке только определенного набора этих белков является проявлением предварительной готовности клетки к взаимодействиям только с некоторыми веществами-регуляторами, готовности к избирательному приему управляющих сигналов. Антенные участки белков-рецепторов клеток-мишеней, то есть участки, присоединяющие лиганд, в частности вещество-регулятор, могут быть расположены или на поверхности мембраны клетки, или в цитозоли, или на мембране ядра, или в ядре клетки.

Следующим этапом, также характерным для взаимодействия всех веществ-регуляторов с их клетками-мишенями, является запуск каскада определенных систем посредников (сигнальных систем). Эти системы посредников, как правило, специфичны виду рецептора. Действие каскада последовательной активации элементов системы посредников приводит к одному из вариантов конечных результатов взаимодействия веществ-регуляторов с клеткой.

Во-первых, при взаимодействии веществ-регуляторов с клетками организма может происходить изменение функционального состояния различных белков клетки, например, изменение каталитической эффективности различных ферментов или изменение состояния канальных белков — каналоформеров. Во-вторых, это изменение уровня экспрессии различных генов, т. е. изменение интенсивности их транскрипции и интенсивности биосинтеза белков, кодируемых этими генами. Этими белками могут быть ферменты биохимических реакций, в том числе и реакций синтеза веществ-регуляторов, белки-каналоформеры, рецепторы, а также вещества-регуляторы и элементы систем их посредников, имеющие белковую природу.

Все вещества-регуляторы — это химические сигналы, взаимодействие которых с клетками организма, изменяет интенсивность и (или) направленность метаболизма в клетках, вследствие чего или изменяется уровень функциональной активности дифференцированных клеток в соответствии с их специализацией, или происходит переход клетки от одной фазы клеточного цикла к другой, или переход от жизни к гибели.

Вещества-регуляторы выделяются, как упоминалось, клетками органов регуляторных систем: нервной, эндокринной, иммунной, а также клетками диффузной нейроиммунноэндокринной системы (ДНИЭС) как элементами системы саморегуляции организма. Как установлено в последние десятилетия, фактически в составе всех тканей и органов имеются клетки, относящиеся к ДНИЭС. Большинство из них имеют общее происхождение в эмбриогенезе. Так, например, в различных участках организма находятся клетки, накапливающие аминокислоты и превращающие их путем декарбоксилирования в биогенные амины. Эти клетки рассматривают как часть ДНИЭС и объединяют в APUDсистему (aminprecursor uptake decarboxylation). Кроме того, такие вещества-регуляторы, как простагландины, относящиеся к эйкозаноидам, могут синтезироваться в любой из клеток организма.

Химические сигналы — это вещества, которые в зависимости от принадлежности клеток, их синтезирующих, к органу, ткани, регуляторной системе организма, относятся к таким группам веществ, как гормоны желез внутренней секреции (ЖВС), тканевые гормоны, цитокины, эйкозаноиды и нейромедиаторы. Гормоны ЖВС — это химические сигналы, выделяемые специализированными на их биосинтезе и секреции органами эндокринной системы. Ее элементы — эндокринные железы, или железы внутренней секреции (ЖВС), синтезируют вещества-регуляторы, которые перемещаются по организму с кровотоком и действуют, как правило, телекринно. К ЖВС относят также участки нескольких отделов нервной системы, клетки которых секретируют в кровь вещества-регуляторы, — это обладающие секреторной активностью нейроны гипоталамуса, гипофиза, эпифиза. К ЖВС также относят орган иммунной системы — тимус.

Нейромедиаторы (нейротрансмиттеры) — это разнообразные по своей химической природе азотсодержащие вещества, выделяемые нейронами в синапсах. Обычно их рассматривают обособленно от веществ-регуляторов, выделяемых клетками нервной системы в кровь и ликвор, связанный через структуры так называемой глимфатической системы, подобные лимфатическим сосудам, с лимфатической системой организма, а также от веществ-регуляторов других регуляторных систем. Вместе с этим, при взаимодействии нейромедиаторов, выделяемых пресинаптическим нейроном, с мембраной постсинаптической клетки в этой клетке наблюдаются те же варианты результатов, что и при взаимодействии с клетками организма других веществ-регуляторов. В частности, после паракринного действия нейромедиаторов, прошедших через синаптическую щель — его соединения с белком-рецептором постсинаптической мембраны и запуска в постсинаптическом нейроне сигнальных систем посредников, изменяется состояние белков-каналоформеров и проницаемость мембраны для различных ионов. Это позволяет объединить нейромедиаторы с другими веществами-регуляторами. Особенностью этой группы веществ-регуляторов является только то, что конечные результаты взаимодействия нейромедиаторов с постсинаптической мембраной клеток нервной и мышечной тканей опосредуют возникновение и распространение электрических сигналов или тормозят их.

Долгое время считалось, что цитокины — это химические сигналы, генерируемые только клетками иммунной системы. Но затем было обнаружено, что подобные вещества синтезируются и секретируются отдельными клетками различных тканей и органов. Общим для них является то, что по химической природе все они являются пептидами.

Понятие тканевые гормоны в настоящее время объединяет совокупность тканеспецифичных веществ-регуляторов, то есть веществ, выделяемых клетками какой-либо определенной ткани, например клетками различных видов соединительной ткани, а также вещества-регуляторы, выделяемые клетками определенного органа или системы органов, например, тканевые гормоны почек или тканевые гормоны ЖКТ. Эти вещества также имеют различную химическую природу. Среди них имеются белки и полипептиды, биогенные амины и стероиды. Как упоминалось, все секреторные клетки разных органов и тканей, выделяющие вещества-регуляторы, в настоящее время относят к ДНИЭС.

Эйкозаноиды — это вещества, образующиеся в клетках из полиненасыщенных жирных кислот. Эти кислоты образуются в клетке в результате частичного гидролиза фосфолипидов мембран клеток при активации в них определенных ферментов: фосфолипазы А₂, циклооксигеназы или липооксигеназы. Некоторое количество полиненасыщенных жирных кислот поступает в клетки из окружающей среды. Эйкозаноиды можно объединять с другими химическими сигналами вследствие того, что они так же, как и другие вещества-регуляторы, обладают мишенным действием, то есть взаимодействуют со специфичными им белками-рецепторами определенных клеток. Как правило, эйкозаноиды действуют аутоили паракринно. Варианты результатов их взаимодействия с клетками-мишенями такие же, как и у веществрегуляторов других групп.

Как уже упоминалось, вещества-регуляторы имеют различную химическую природу. Все эйкозаноиды — производные полиненасыщенных жирных кислот, цитокины — полипептиды, среди тканевых гормонов, кроме полипептидов, имеются биогенные амины и два вещества стероидной природы. По химической природе наиболее разнообразны такие группы химических сигналов, как нейромедиаторы и гормоны ЖВС. Среди гормонов ЖВС, кроме белков, полипептидов, производных аминокислот (биогенных аминов и иодированных производных тирозина), имеется большая группа стероидов, которые образуются из холестерина и его аналогов. Нейромедиаторы — это самая разнообразная по химическому строению группа веществ-регуляторов. Подавляющее большинство нейромедиаторов являются азотсодержащими веществами. Это ацетилхолин, биогенные амины, аминокислоты, нуклеотиды, производные азотистых оснований нуклеотидов, олигопептиды. В последние годы обнаружено, что функцию нейромедиаторов могут выполнять низкомолекулярные соединения, такие как оксиды азота и углерода.

Одни и те же вещества-регуляторы могут выделяться как клетками эндокринной системы, так и клетками других регуляторных систем или специализированными клетками ДНИЭС, расположенными в различных внутренних органах. Например, серотонин, выделяемый клетками ДНИЭС, расположенными в различных отделах пищеварительной системы или в иммунной системе, является тканевым гормоном, а серотонин, секретируемый нейронами определенных отделов головного мозга, выполняет функцию нейромедиатора.

Многие вещества-регуляторы как одной, так и различных групп обладают синергическим регуляторным эффектом, то есть их взаимодействие с клеткой-мишенью приводит к одному и тому же варианту конечного результата. Например, такие гормоны ЖВС, как глюкогон поджелудочной железы, адреналин мозгового вещества надпочечников и тироксин щитовидной железы, можно считать синергистами по их влиянию на уровень сахара крови. Все они стимулируют расщепление гликогена в клетках печени, а следовательно, увеличивают содержание глюкозы в крови.

Известны также вещества-регуляторы, оказывающие противоположное действие, т. е. являющиеся антагонистами. Это, например, гормоны поджелудочной железы глюкогон и инсулин. Глюкогон, как уже упоминалось, взаимодействуя с клетками печени, активирует расщепление гликогена и увеличивает уровень глюкозы крови, а инсулин, напротив, стимулирует биосинтез гликогена в печени и способствует поступлению глюкозы из крови в клетки печени и всех тканей организма, что приводит к снижению уровня сахара крови.

Регуляция уровня функциональной активности и перехода отдельных клеток организма от одного состояния к другому — это результат взаимодействия различных регуляторных систем организма, сложно организованный в пространстве и во времени процесс одновременного или последовательного действия на клетку различных веществ-регуляторов, прекращение действия одних веществ и усиление эффекта других.

Большое значение в регуляции жизнедеятельности клеток имеет изменение концентрации внутриклеточного Са²⁺: «волны» и импульсы изменения концентрации цитозольного, митохондриального, внутриядерного Са²+. К изменению в клетке концентрации Са²⁺ причастны вещества каскада арахидоновой кислоты и гормоны ЖВС, взаимодействующие, как правило, с мембранными рецепторами 3-го типа. С изменением концентрации цитозольного Са²⁺ связано изменение активности ферментов, входящих в различные системы посредников веществ-регуляторов, в частности, изменение активности протеинкиназы С и фосфодиэстеразы. От концентрации Са²⁺ также зависит протекание митоза, так как функциональная активность сократительных белков клетки регулируется концентрацией Са²⁺, а они входят в состав цитоскелета клетки и веретена деления, обеспечивающие расхождение хромосом при митозе.

Увеличение концентрации Са²⁺ увеличивает вероятность перехода клеток к апоптозу, так как Са²⁺ активирует ферменты, фрагментирующие ДНК. Кроме того, возможность соединения сократительных белков актина и миозина и сокращение мышечных волокон различных видов мышечной ткани также зависит от концентрации Са²⁺, которая возрастает при распространении по мышечному волокну потенциала действия. С изменением концентрации Са²⁺ связана секреторная активность многих клеток ЖВС, а также выделение нейромедиаторов пресинаптической мембраной нейронов. Продолжительность потенциала действия в клетках миокарда также зависит от концентрации Са²⁺.

Кальций — это основной элемент костной ткани, одного из видов соединительной ткани. Кроме того, кальций является фактором IV свертывания крови, т. е. одним из элементов каскада веществ, обеспечивающих свертывание крови, которая также относится к соединительной ткани. От концентрации Са²⁺ зависят функциональные возможности клеток возбудимых тканей (нервной, мышечной), секреторных клеток ЖВС, а также различных видов соединительной ткани.

Таким образом, в конечных результатах взаимодействия различных групп веществ-регуляторов с клетками-мишенями проявляются регуляторные влияния системы саморегуляции организма на клеточном уровне организации. Эти регуляторные влияния обеспечивают изменение уровня функциональной активности клеток. Прежде всего — интенсивности процессов трансформации энергии и биосинтезов веществ структуры клеток и тканей, к которым принадлежат эти клетки. Результаты действия регуляторных систем на органо-тканевом уровне проявляются в дифференцировке клеток различных тканей и их способности выполнять свою функцию, осуществлять переходы от одной фазы клеточного цикла к другой, от жизни к гибели. Это обеспечивает возможность не только сохранения, но обновления структуры клеток различных тканей, а также возможность их регенерации при повреждениях.

Конечные результаты действия системы саморегуляции организма на организменном уровне — это регуляция всех процессов жизнедеятельности как совокупности взаимодействий в организме и взаимодействий организма и среды. Результатами регуляторных воздействий системы саморегуляции в ходе эмбрионального развития являются органогенез и формирование биологического пола. В ходе последующего онтогенеза — это сохранение постоянства генома клеток и гомеостаза организма, согласование уровня функционирования всех органов при различных видах активности организма и при переходах организма от одного состояния к другому. Регуляторные влияния системы саморегуляции организма обеспечивают «настройку» биологических часов как механизма, задающего цикличность изменения уровня функциональной активности различных органов и всего организма в целом, согласуют периодические изменения уровня функционирования организма с геофизическими циклами среды обитания. Результатом действия системы саморегуляции является созревание и функционирование репродуктивной системы организма в ходе онтогенеза. Кроме того, один из результатов регуляторных воздействий на организм нервной системы как основного элемента системы его саморегуляции — это организация и реализация контролируемых взаимодействий с внешней средой, или поведения. Организация внутренних и реализация внешних компонентов различных форм поведения обеспечивает возможность регуляции гомеостаза, а также возможность репродукции организма. Поведение обеспечивает формирование и развитие психики и психической деятельности, в том числе способности к субъективным переживаниям, к рассудочной деятельности (мышлению), к формированию сознания как отличительного признака человека.