Эндокринные железы – химические регуляторы жизнедеятельности
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
В организме любого животного много желез. Это, например, слезные, слюнные, желудочные, кишечные, потовые, сальные. Все они имеют одну общую черту: вырабатываемые ими соки (пот, слезы, желудочный сок и другие) по особым выводным протокам выделяются либо на поверхность тела, как пот или кожное сало, слезы, либо в просвет внутренних полостей, например, желудочный сок и желчь выделяются в просвет желудочно-кишечного тракта. Давно уже было известно медикам и о существовании других железистых органов, лишенных протоков, например, щитовидной железы или шишковидной железы в мозгу. Трудно было установить назначение этих органов, и потому на заре науки им приписывались самые фантастические функции. Например, Декарт считал шишковидную железу местом нахождения духа. Щитовидную же железу вплоть до XIX века считали органом согревания вдыхаемого воздуха.
В XIX веке хирургия достигла значительных успехов. И по мере роста этих успехов фантастические представления стали рушиться одно за другим. В Швейцарии, например, где был очень распространен зоб — увеличение щитовидной железы, знаменитый хирург Кохер произвел много операций по ее удалению. В ряде случаев после операции у больных развивалось неизвестное и очень тяжелое заболевание. Это подсказало, что щитовидная железа вырабатывает какие-то вещества, необходимые для жизни. Из послеоперационных же осложнений вытекало представление о важной роли незадолго до того открытых околощитовидных желез.
Эти и другие операции подсказали, что лишенные протоков железы выделяют в кровь какие-то жизненно важные вещества. Вещества эти назвали секретами, или гормонами, от древнегреческого слова «хормао» — «двигаю», «возбуждаю». Сами же железы получили название желез внутренней секреции, или эндокринных. А область медицины, изучающая гормоны и их действие на организм, получила название эндокринологии. Термин этот происходит от трех древнегреческих корней. «эндо» — «внутри», «крино» — «выделяю», «логос», «слово», «учение». Таким образом, он означает то же, что учение о железах внутренней секреции.
Эндокринология выделилась в особую область медицины, но от других областей ее отличают некоторые особенности. Прежде всего, это то, что органы, изучаемые эндокринологией, находятся в различных отделах организма. Во-вторых, гормоны находят широчайшее применение во всех без исключения областях медицины — при болезнях глаз и крови, легких и нервной системы, суставов и кожи.
Гормоны — это весьма сильные физиологически активные вещества. Есть они у растений, есть у насекомых, но у позвоночных животных гормоны иные. Гормоны обеспечивают регуляцию наиболее важных, наиболее древних и наиболее устойчивых функций. Так, для ряда процессов в организме требуется йод в виде его органических соединений. Клетки, вырабатывающие такие соединения, имеются уже у низших позвоночных, но настоящего развития щитовидная железа как орган, накапливающий йод и превращающий его в активный гормон, получает лишь у пресноводных рыб.
Читатель знает, конечно, что жизнь родилась в первобытном океане, покрывавшем всю нашу планету. Там же, в океане, проходили все первые стадии эволюции живых существ. Рыбы древнее всех других позвоночных.
Морская вода богата йодом. Поэтому проблема сохранения этого вещества в организме стала важной у рыб, переселившихся в бедную йодом пресную воду. Особенно же важной стала она у животных, покинувших воду и переселившихся на сушу.
Такими же важными стали для сухопутных животных механизмы задержки в организме воды и соли. Поэтому, когда животные перешли на наземный образ жизни, стали очень важными и гормоны, управляющие этими механизмами. Соответственно гормоны коры надпочечников у млекопитающих значительно разнообразнее, чем, например, у рыб. В то же время некоторые наиболее важные древние функции мы унаследовали от рыб лишь с небольшим изменением. Например, жироподобные вещества, очень важные для организма как топливо, образуются при участии гормона инсулина, и этот гормон у нас физиологически не отличается от того же гормона у рыб. Поэтому гормон, полученный от рыб, является эффективным и у человека.
Чем более высоко стоит животное на лестнице эволюции, тем большую роль в его жизни начинает приобретать центральная нервная система. Постепенно она становится центральным пультом управления жизненными функциями. Берет она под свой контроль и эндокринные железы. Частично это достигается прямым нервным контролем железы, но чаще непрямым путем: нервная система (определенные участки мозга) вырабатывает особые химические вещества, которые поступают в гипофиз (мозговой придаток).
Гипофиз — это тоже эндокринная железа. Получив химический сигнал от нервной системы, он, в свою очередь, вырабатывает гормоны, усиливающие работу других эндокринных желез. Весь этот механизм на первый взгляд очень сложен, но в жизни он себя оправдывает и работает обычно безупречно. Самый наглядный пример — это зависимость действия половых желез у некоторых животных от интенсивности солнечного освещения.
В своей деятельности центральная эндокринная железа — гипофиз — настолько тесно связана с центральной нервной системой, что сейчас четко разграничить нервную систему от эндокринной не всегда возможно. Что же касается роли каждой из них, то при некотором упрощении можно сказать, что эндокринная система обеспечивает наиболее важные основные процессы жизнедеятельности, а нервная система управляет более тонкой и более быстрой регуляцией.
Как мы упоминали, эндокринные железы расположены в разных частях организма. В черепе размещаются мозговой придаток (гипофиз) и шишковидная железа (эпифиз), на шее — щитовидная железа и четыре околощитовидных, в поясничной области находятся два надпочечника и поджелудочная железа, еще ниже расположены половые железы. Какие же особенности позволили объединить все эти органы в одну систему? Прежде всего, сам факт, что все эти органы являются эндокринными, то есть выделяют гормоны прямо в кровь.
Все железы внутренней секреции — очень маленькие органы. Самый большой из них — щитовидная железа — весит у человека 15—25 граммов, надпочечники — 5—7 граммов. Другие железы еще меньше: гипофиз весит не более 1 грамма, эпифиз— 0,1—0,2 грамма, а околощитовидные железы — около 0,2 грамма. Некоторые железы внутренней секреции даже не существуют у человека в виде отдельного органа. Например, одна из важнейших — поджелудочная — является важной пищеварительной железой и свой сок выделяет в двенадцатиперстную кишку. Но в ткань этой железы как бы вкраплены участки — островки — совсем другой ткани. Эти-то островки и вырабатывают весьма важные гормоны, в том числе инсулин. Островки живут своей особой жизнью, независимой от жизни окружающей ткани железы: если перерезать выводной проток железы, то почти вся железа погибнет, но островки совершенно не пострадают. Все островки, взятые вместе, весят не более 1 грамма. Еще труднее учесть вес эндокринной ткани в половых железах. Но и там она не превышает долей грамма.
Эндокринные железы очень невелики. Количество гормонов, которое они вырабатывают, также весьма мало в весовом отношении. Настолько мало, что в отношении некоторых гормонов мы до сих пор точно не знаем, сколько их вырабатывается в организме. Мы приведем цифры, показывающие, как мало количество некоторых жизненно важных гормонов. Вот, например, гормон роста вырабатывается мозговым придатком в количестве, не превышающем 4 миллиграммов в сутки, гормон щитовидной железы — тироксин — до 0,1 миллиграмма в сутки, гормоны коры надпочечников — кортизол — до 30 миллиграммов в сутки и альдостерон — до 0,15 миллиграмма в сутки, гормон островков поджелудочной железы — инсулин — до 2 миллиграммов в сутки. (Нужно сказать, что определять гормоны весьма трудно, поэтому в зависимости от метода определения и оценка количества гормона может быть разной.)
Количество вырабатываемых гормонов очень невелико. Но, может быть, это стойкие вещества, длительно сохраняющиеся в крови в активном состоянии? Нет, это не так. Правда, для тироксина время, в течение которого расходуется половина находящегося в крови гормона, довольно велико — 7 дней, но уже для кортизола оно значительно меньше и равно 2 часам, а для вырабатываемых гипофизом гормона роста и тиреотропного гормона (он усиливает работу щитовидной железы) еще меньше — всего около получаса. Для очень важного адренокортикотропкгого гормона, который усиливает работу коры надпочечников, это время составляет всего около пяти минут.
Итак, гормонов каждый день образуется мало, и из крови они исчезают довольно быстро. Легко поэтому представить себе, какой колоссальной силой должны обладать гормоны, чтобы оказывать свое действие при такой ничтожной концентрации.
Естественно, встает вопрос о том, какими методами удается определить такие ничтожные концентрации гормонов. Обычно это очень трудное дело, и нередко приходится довольствоваться косвенными приемами. Например, определять скорость исчезновения из крови введенного извне меченного изотопами гормона и на этом основании рассчитывать скорость образования гормона соответствующей железой. Нередко эти методы так сложны, что практически не применяются. На помощь в этих случаях приходит то, что значительное количество гормонов и их продуктов превращения выделяется почками и может быть определено в моче. Метод определения зависит от химической структуры гормона. Если она относительно несложная (гормон представляет собой стероид или аминокислоту)» удается произвести химическую реакцию, в результате которой развивается окраска. Ее уже нетрудно оценить количественно. Именно так определяют гормоны щитовидной железы в крови, гормоны коры надпочечников в крови и моче, половые гормоны в моче.
Если же гормон является белком или полипептидом, то определить его сложнее. По одному из методов приходится, например, экспериментально вырабатывать у животных антитела к этому гормону. Лишь потом, используя эти антитела, можно достаточно точно определить концентрацию гормона в крови. К сожалению, в настоящее время выяснено, что определяемые такими методами гормоны не обязательно являются биологически активными. В ходе исследования можно так изменить молекулу вещества, что оно будет реагировать с антителами как настоящий гормон, а на организм не оказывать ни малейшего действия.
Широко применяются методы определения гормонов, при которых используют их биологические свойства. Например, одним из важнейших свойств гонадотропных гормонов гипофиза является то, что они усиливают деятельность и увеличивают размеры половых желез. Поэтому, получив экстракт, содержащий гормоны, его вводят молодым мышкам-самкам, а затем определяют, насколько увеличился у животных размер яичников. Понятно, что чем больше гонадотропных гормонов было в экстракте, тем больше увеличиваются яичники. Инсулин же определяют, основываясь на том, что одно из основных его действий — это увеличение захвата глюкозы мышцами и жировой тканью. Поэтому кусочки мышцы или жировой ткани мыши помещают в сыворотку крови и затем определяют, сколько глюкозы ткань поглотила. Чем больше она поглотила глюкозы, тем больше в крови было инсулина.
К сожалению, все биологические методы имеют существенный недостаток: все животные, как бы тщательно их ни подбирали, индивидуальны, поэтому и реакция их на гормоны отличается. Это заставляет для каждого исследования использовать несколько животных, что и долго и дорого.
В чем же проявляется деятельность эндокринных желез? Вряд ли можно назвать другую систему в организме, от деятельности которой в такой степени зависел бы внешний вид. Под контролем эндокринных желез находятся рост, характер телосложения, фигура, оволосение, тембр голоса, окраска, сухость или влажность кожи, пучеглазие, а также определенные черты нервной деятельности. Карликовый рост, например, чаще всего является следствием недостаточного образования гормона роста. Гигантизм же — следствие избытка этого гормона. Значительное пучеглазие — это результат действия особого гормона мозгового придатка. Бронзовая окраска кожи также вызывается особым гормоном мозгового придатка. Многим знаком испуганный взгляд и дрожание при повышенной функции щитовидной железы (базедовой болезни). Таких примеров можно привести много. К счастью, успехи эндокринологии привели к значительному уменьшению числа тяжелых случаев заболевания.
Каждый гормон обладает особым, только ему свойственным действием. Хотя очень часто по химической структуре молекул они мало отличаются друг от друга. Например, мужские половые гормоны влияют на гортань (поэтому вызывают снижение голоса), вызывают рост волос на лице. Мужские половые гормоны вырабатываются и у женщин и играют очень важную роль в их организме, но если они образуются в избытке, то проявят свое действие точно так же, как у мужчин. Гормоны коры надпочечников, химически похожие на половые, обладают совершенно иным действием. Они вызывают усиленный распад белков, выделение большого количества глюкозы из печени, превращение белков в углеводы и т. д. Другой гормон надпочечников, альдостерон, обладает чрезвычайно выраженной способностью задерживать в организме соль, но не оказывает сколько-нибудь выраженных других эффектов. Еще небольшое изменение молекулы, и это уже женский половой гормон с его характерным действием на формы тела…
Под контролем гормонов находятся такие важнейшие составные части организма, как глюкоза, жиры, белки, минеральные соли и вода. Обращает на себя внимание то, что гормоны оказывают свое действие очень широко, на очень большом расстоянии от места своего образования. Так, инсулин действует не только на печень, которая находится недалеко от поджелудочной железы, но также на все мышцы, жировую ткань, на некоторые участки мозга. Гормоны околощитовидных желез действуют на все кости. Гормоны коры надпочечников, щитовидной железы оказывают влияние практически на все органы и ткани. В этом отношении есть лишь одно, но весьма существенное исключение: мозговой придаток (гипофиз) вырабатывает несколько таких гормонов, которые почти не обладают собственным действием, а лишь усиливают деятельность других эндокринных желез (щитовидной, половых, коры надпочечников). Гормоны гипофиза, как мы уже упоминали, вырабатываются под влиянием стимулов со стороны нервной системы.
Гормоны действуют на очень многие ткани, подчас весьма удаленные друг от друга органы, а концентрация их в крови невелика. Поэтому организм должен обладать приспособлениями для экономии гормонов. Одно из важнейших приспособлений таково: в свободном и активном виде в крови находится лишь часть гормона, другая же его часть связана белком — особым для каждого гормона. Нуждающиеся в гормоне ткани могут отнимать его от белка-носителя и использовать. По-особому обстоит дело с инсулином: мышечная ткань не способна отнимать этот гормон от его белка, а жировая способна и потому находится в более выгодном положении.
Понятно, что в разное время потребность в тех или иных гормонах меняется. Например, после еды повышается потребность в гормонах, способствующих усвоению питательных веществ (например, в инсулине), а при голодании нужны гормоны, помогающие использовать запасы жира (например, гормон роста). При холоде повышается потребность в гормонах щитовидной железы, способствующих усиленному образованию тепла. При ограничении питья повышается образование вазопрессина, который резко уменьшает потерю воды почками. Все указанные процессы приводят к изменениям работы эндокринных желез.
Что представляют собой гормоны и что с ними происходит в организме? Гормоны относятся к разным классам химических веществ. Большая группа их — производные циклопентанофенантрена. Это мужские и женские половые гормоны, гормоны коры надпочечников. Другие являются производными аминокислот (простейших кирпичиков, из которых складываются белки). Это гормоны мозгового слоя надпочечников (адреналин) и щитовидной железы. Наконец, большая группа гормонов является полипептидами, состоящими из десятков аминокислот, или настоящими белками — гормоны гипофиза, инсулин, гормон околощитовидных желез.
Изучение гормонов проходит по определенным направлениям. Сначала выясняется формула гормона, потом его синтезируют. Так обстояло дело в начале прошлого века с адреналином и тироксином, в 30-х годах с половыми гормонами, в 40-х с кортизоном. Позднее были раскрыты формулы даже сложных полипептидов, например, вазопрессина и инсулина, а некоторые из них были и синтезированы — вазопрессин, адренокортикотропный гормон, окситоцин. Более того, после того, как формула гормона известна, видоизменяя ее, можно получить гормоноподобное вещество более сильное, чем природный гормон. Так, например, уже получены вещества, которые в некоторых отношениях в десятки раз сильнее, чем природные гормоны коры надпочечников или женские половые гормоны.
Судьба гормонов в организме зависит от их строения. Белковые гормоны распадаются, как и прочие белки, но этот распад идет лишь в особых органах и управляется особыми ферментами. Гормоны, являющиеся производными аминокислот, так видоизменяются, что теряют свою активность. Наконец, совершенно особо меняются стероидные гормоны коры надпочечников и половые. Они химически видоизменяются таким образом, что практически полностью теряют активность. Кроме того, они еще связываются (обычно в печени и почках) с серной или глюкуроновой кислотой и выделяются почками в таком связанном виде. Есть и такие гормоны, которые не теряют активность перед тем, как быть выделенными почками, например, гонадотропные.
Это лишь общий очерк деятельности эндокринного ансамбля в организме.
Автор: Л. Либерман.