Текст книги "Человеческий мозг. От аксона до нейрона."
Автор книги: Айзек Азимов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 25 страниц)
Возникает соблазн считать, что, вероятно, вилочковая железа (еще ее называют «тимус») вырабатывает некий гормон – подобие ювенильного гормона насекомых, который предохраняет ребенка от слишком раннего полового созревания. Потом, когда железа атрофируется, выработка гормона прекращается и наступает время созревания. Однако, несмотря на все усилия, исследователям не удалось идентифицировать такой гормон. Удаление тимуса у экспериментальных животных не приводит к быстрому созреванию, а инъекции тимичсских экстрактов не вызывают его задержку. Соблазнительная теория была оставлена и забыта.
Оставалась, однако, еще одна возможность. Тимус состоит из лимфоидной ткани, подобно селезенке, нёбным миндалинам и лимфатическим узлам. Представилось вероятным, что вилочковая железа функционирует как лимфоидная ткань и участвует в процессах борьбы с бактериальными инфекциями. Возможно, она продуцирует антитела (белковые молекулы, предназначенные для нейтрализации бактерий, бактериальных токсинов и вирусов), и если это так, то роль гимуса трудно переоцепить, так как пет задачи важнее, чем обеспечивать иммунитет организма.
Эта теория получила подтверждение в 1962 году, когда Жак Миллер, работавший в Лондоне, показал, что тимус не только вырабатывает антитела, но и является органом, который в организме делает это первым. Со временем клетки тимуса мигрируют в другие части организма, например в лимфатические узлы. К наступлению периода полового созревания вилочковая железа исчезает не потому, что ее функция исчерпалась, а потому, что ее ткань распределилась по другим органам.
Эту точку зрения подкрепляет тот факт, что мыши, которым вскоре после рождения удаляли тимус, погибали спустя несколько месяцев, потому что у них оказывались недоразвитыми некоторые ткани, участвующие в иммунных процессах. Если же тимус удаляли по прошествии трех недель после рождения, то такого неблагоприятного эффекта не наблюдали. Очевидно, к этому времени достаточное количество клеток тимуса успевает мигрировать в лимфатические узлы, обеспечивая способность животного отвечать на вторжение инфекционных агентов. Вероятно, распространение клеток тимуса по организму стимулируют те гормоны, которые обусловливают половое созревание, поскольку тимус подвергается быстрой атрофии после 12 – 13 лет.
Удаление тимуса вскоре после рождения животного делает его способным не отторгать пересаженные от других особей органы и ткани. В обычных условиях кусочки пересаженной кожи отторгаются организмом хозяина, который реагирует образованием антител на чужеродный белок. Если пересадить лишенной вилочковой железы мыши тимус другого животного, то она вновь обретает способность отторгать трансплантат и продуцировать антитела. Если тимус пересажен от какой-либо определенной лиши; мышей, то животное-реципиент не отторгает кожные трансплантаты мышеи этих линий. Есть отдаленная надежда, что в будущем с помощью частичной пересадки вилочковой железы удастся решить проблему пересадки органов и тканей у человека.
АНДРОГЕНЫ
Органы, непосредственно связанные с появлением вторичных половых признаков, состоят из клеток, необходимых для размножения. К таким органам относятся яички, вырабатывающие сперму у мужчин, и яичники, вырабатывающие яйцеклетки у женщин. Эти железы объединяются термином «гонады» («порождающие», греч.), хотя чаще их называют половыми железами. Связь между гонадами и изменениями, связанными с созреванием представляется настолько логичной, что се можно принять без доказательств.
Когда-то, на заре истории, пастухи, вероятно сначала в результате случайных наблюдений, заметили, что самцы, которым вскоре после рождения удаляли тестикулы (кастрировали), доживали до взрослого состояния, но выглядели совершенно не так, как особи, сохранившие половые железы. Кастрированные животные не были способны к оплодотворению и не проявляли никакого интереса к половой активности. Кроме того, такие животные становились менее агрессивными, и их было гораздо легче заставить работать, чем некастрированных самцов. После кастрации самый свирепый бык превращался в кроткое, смирное животное, необузданный жеребец становился терпеливым мерином, а самый жилистый петух – жирным каплуном.
Увы, было бы наивно полагать, что ту же операцию не применяли к людям. Кастрированные мужчины, евнухи («стерегущие ложе», греч.), назывались так потому, что их главной обязанностью было охранять гаремы состоятельных людей, а кастрировали несчастных, чтобы они не смогли воспользоваться выгодами своего столь завидного положения.
Если кастрация выполняется в раннем детстве, перед появлением вторичных половых признаков, то они не развиваются. У евнухов не росла борода, хотя на голове волосяной покров сохранялся, и, более того, евнухи не лысели. (Облысение у мужчин является отчасти вторичным половым признаком и имеет отношение к концентрации половых гормонов в крови, хотя для того, чтобы быть полноценным мужчиной, не обязательно становиться лысым.)
У евнухов остается маленькой гортань, поэтому голос их навсегда остается по-женски высоким. В христианскую эпоху, когда полигамия и гаремы ушли в прошлое, евнухи начали цениться за свои голосовые данные. Они могли петь сопрано. Так певцы (их так и называли – кастратами) высоко ценились в дни становления оперного искусства. Кастраты пели в хорах. Только в 1878 году римский папа Лев XIII запретил этот бесчеловечный способ пополнения папской капеллы.
Жир на теле евнухов распределяется по женскому типу. У них нет полового влечения, и развиваются (возможно, это было так в связи с работой в гаремах) личностные черты, характерные для женщин. Однако интеллект у евнухов не страдает. В исторической литературе приводится масса примеров злокозненности евнухов и их склонности к участию в придворных интригах. По крайней мере доподлинно известно, что один евнух, византийский полководец Нарсес, был способным государственным деятелем и умелым военачальником, разбившим высадившихся в Италии готов и франков. В конце XIX и в начале XX века химики начали работать с экстрактами яичек и выяснили, что введение их кастрированным животным предупреждает развитие эффектов кастрации. У каплунов отрастал царственный гребень полноценного петуха.
По мере накопления знаний стало ясно, что тестикулы (мужские половые железы), кроме выработки клеток спермы, вырабатывают также гормоны, вызывающие появление вторичных половых признаков. Эти гормоны были названы андрогенами («порождающие мужчин», греч.). Их также можно называть тестикулярными гормонами, или мужскими половыми гормонами.
В начале 30-х годов было показано, что вещества, обладающие андрогенными свойствами, являются стероидами. Это было достигнуто благодаря работам германского химика Адольфа Бутенандта, который в результате разделил Нобелевскую премию 1939 года со швейцарским химиком югославского происхождения Леопольдом Ружичкой, который также работал в этой области. (Нацистское правительство запретило Бутенандту получить премию, и он получил ее лишь в 1949 году, после войны, которую ему, в отличие от нацистского правительства, удалось благополучно пережить.) Известны два андрогена – андростерон и тестостерон.
Андрогены отличаются от других стероидов, о которых уже шла речь в книге, тем, что у них вообще отсутствует углеродная цепь, присоединенная к 17-му атому углерода стероидного ядра. (Вы, вероятно, еще помните, что у холестерола к этому атому присоединена цепь из восьми атомов углерода, у желчных кислот – из пяти, а у кортикидов – из двух атомов углерода.) Андрогены оказывают эффект, в чем-то схожий с эффектом гормона роста, так как они тоже стимулируют вчлючение аминокислот в растущие белки. Однако есть и разница.
Гормон роста оказывает свое действие во всем организме, а андрогены избирательно, преимущественно в местах, так или иначе связанных с органами, вовлеченными в процессы размножения и формирования вторичных половых признаков. Надо, правда, сказать, что они не лишены общего влияния на организм. До наступления полового созревания девочки и мальчики мало отличаются ростом и весом, но после его наступления мальчики под воздействием мужских половых гормонов приобретают больший рост, вес мышечную массу, нежели девочки.
Тестостерон в десять раз активнее андростерона; это означает, что тот же эффект он производит в дозе в десять раз меньшей. В природе не существует андрогенов более активных, чем тестостерон, но такой гормон был синтезирован в лаборатории. Он называется метилтестостерон. Он отличается Iот природного гормона тем, что в его молекуле к 17-му атому углерода, кроме уже существующей гидроксильной группы, присоединяют одноуглеродную метильную группу (-СН3).
Оказалось возможным также создать синтетические андрогены, сохраняющие свойство стимулировать синтез белка, но не оказывающие маскулинизирующего воздействия. Примером такого соединения является 19-нортестостерон, отличающийся от естественного тестостерона отсутствием углерода в положении 19.
ЭСТРОГЕНЫ
Приблизительно и то же время, когда изучались гормоны, вырабатываемые мужскими половыми железами, ученым удалось выделить гормоны, продуцируемые яичниками. Так как яичники надежно спрятаны в полость малого таза, то их удаление было трудной задачей для древнего человека. Удалить выставленные наружу яички было несравненно легче, поэтому кастрировали исключительно самцов. При проведении опытов на животных было показано, что в результате удаления яичников у молодых самок у них не развиваются вторичные половые признаки. Не осталось никаких сомнений, что яичники вырабатывают женские (или оварильные) гормоны, похожие по структуре на андрогены мужских особей.
Экстракты яичников, введенные самкам крыс, стимулировали у них половую активность. Обычно такая активация происходит периодически, во время течки, которая по-латыни называется estrus.Поэтому женские половые гормоны были названы эстрогенами («порождающими течку», греч.). Большинство гормонов, продуцируемых яичниками, имеет в своем корне буквосочетание «-эстр-». (Андрогены и эстрогены вместе называются половыми гормонами.)
Эстрогены отличаются от андрогеиов в основном тем, что в кольце А стероидиого ядра (расположенного в нижней левой части формулы) содержится три двойные связи.
Такое кольцо на химическом языке называется бензольным. Атом углерода в десятом положении, который вы видите в формуле, не имеет ни одной свободной валентной связи. Одна связывает его с углеродом, две с углеро-дом-5 и одна с углеродом-9. Не остается свободной валентности для присоединения углерода-19, который отсутствует в молекуле эстрогенов. У 19-нор-тестостерона тоже отсутствует углерод-19, но это соединение не является эстрогеном, потому что в его кольце А отсутствуют три двойные связи.
Одним из наиболее полно изученных эстрогенов является эстрон, формула которого приведена ниже:
Два других эстрогена – эстрадиол (у которого оба атома кислорода присутствуют в молекуле в виде гидроксильиых групп) и эстриол (у которого в молекуле имеется третий атом кислорода, присоединенный к углероду-16).
Так же как и в случае с андрогенами, самыми мощными эстрогенами являются их синтетические производные. Так, например, существует соединение 17-этинилэстрадиол, в котором к атому углерода-17, помимо гидроксильной группы, присоединена цепь из двух атомов углерода. Эта цепь 1 содержит тройную связь. Такая группа называется этинильной, поэтому весь синтезированный эстроген был назван этинилэстрадиолом. При приеме внутрь этинилэстрадиол оказывает в десять раз более мощное воздействие, чем его естественный аналог.
Другим синтетическим веществом этой группы является стильбэстрол, названный так потому, что в его молекуле содержится группа, которая называется стильбеном. Это не такой мощный эстроген, как этинилэстрадиол, но и он обладает в три – пять раз более мощным действием, чем естественные гормоны. Стильбэстрол является необычным соединением, так как не является стероидом. Это очень полезное свойство, так как стильбен гораздо; легче синтезировать, чем стероид. Поэтому стильбэстрол дешевле и доступнее, чем естественные гормоны или синтетические стероидные эстрогены.
Эстрогены и андрогены весьма сходны по химическому строению. Например, молекула эстрона отличается от молекулы андростерона только наличием трех двойных связей и отсутствием атома углерода-19. Из-за такой схожести в строении возникает соблазн считать, что гормоны этих двух групп оказывают па организм сходное действие. (Во всяком случае, этого требует здравый смысл.) Однако в биологических системах часто случается так, что какое-то соединение, похожее на другое соединение, ингибирует (подавляет) его действие, так как связывается с теми же ферментами Фермент ловится на удочку схожести и принимает ложный субстрат за настоящий и связывается с ним. Таким образом нормальная работа фермента будет блокирована из-за незначительной разницы в строении субстратов. Такое подавление называется в биологии конкурентным ннгибиронанием.
Половые гормоны двух групп, вполне возможно, настолько похожи по строению, что могут конкурировать между собой за одни и те же места связывания па клеточных мембранах. Ход обменных процессов может радикально измениться и пойти в любом направлении, в зависимости от того, какая группа гормонов выиграла конкурентную борьбу за места связывания.
Эффекты эстрогенов и андрогенов противоположны, и при добавлении гормонов одной группы настолько же уменьшается действие гормонов другой группы. Например, введение эстрогенов петуху превращает его в каплуна точно так же, как и кастрация. Точно так же введение андрогенов самке вызовет такой же эффект, как овариэктомия (удаление яичников). Эти соединения оказались полезными при лечении целого ряда заболеваний, поражающих ткани наиболее чувствительные к воздействию половых гормонов. Например, эстрогены нашли применение в лечении рака предстательной железы. Андрогены стимулируют рост предстательной железы, а эстрогены его подавляют, иногда даже в случаях злокачественного роста.
Андрогены и эстрогены настолько похожи друг па друга, что было бы не логично думать, что орган, который способен продуцировать андрогены, не сможет вырабатывать эстрогены, и наоборот. Действительно, выяснилось, что тестикулы и яичники вырабатывают гормоны обеих групп. Самец является самцом не потому, что его половые железы вырабатывают только андрогены, а потому, что они вырабатывают преимущественно апдрогены. То же самое верно и в отношении самок и эстрогенов. Мужские признаки являются следствием не только увеличения продукции андрогенов, но и повышенного выведения из организма эстрогенов. Например, богатым источником эстрогенов является моча жеребцов.
Есть еще одна железа, помимо половых, которая продуцирует стероиды. Эта железа – кора надпочечников, также вырабатывает половые гормоны, в особенности андрогены. По этой причине гормонально активные опухоли надпочечником часто вызывают маскулинизацию у женщин.
Быть женщиной намного сложнее, чем быть мужчиной. Когда мужчина достигает половой зрелости, он начинает без всяких перерывов производить сперматозоиды – половые клетки. Напротив, организм взрослой женщины претерпевает регулярные циклические изменения, в ходе которых каждые четыре недели или около того в яичниках созревает одна яйцеклетка. Все изменения, происходящие в этот период, обусловлены действием циклически выделяемых гормонов. Выглядит вполне разумным, что эти гормоны вырабатываются теми же органами, в ходе которых созревают половые клетки.
Яйцеклетка созревает в яичниковом фолликуле, который при этом достигает размеров булавочной головки и разрывается (таким образом, яйцеклетка получает возможность попасть в фаллопиеву трубу, а из нее в матку), приобретая желтовато-красный цвет. Фолликул превращается в желтое тело (по-латыни corpus luteum). Это желтое тело вырабатывает особый гормон. Главным результатом действия этого гормона является разрастание слизистой оболочки матки и ее подготовка к приему оплодотворенного яйца. Так как этот гормон готовит почву для вынашивания возможной беременности (по-латыни gestatio), то этот гормон был назван прогестином. Когда была показана его стероидная структура, он был переименован в прогестерон.
Прогестерон больше похож на кортикоиды, чем эстрогены. Так же как у кортикоидов, к его 17-му атому углерода присоединена цепь из двух атомов углерода, а в кольце А отсутствуют двойные связи. Основным отличием прогестерона от кортикидов является присутствие гидроксильной группы у 21-го атома углерода последних и ее отсутствие у прогестерона. Если не считать отсутствия гидроксила в этом положении, строение прогестерона ничем не отличается от строения дезоксикортикостерона (ДОК). Однако это отсутствие одного-единственного атома кислорода придает этим гормонам совершенно различные функциональные свойства.
Если оплодотворения яйцеклетки не происходит, то желтое тело атрофируется, и прогестерон перестает образовываться. Функциональный слой слизистой оболочки матки вместе с кровеносными сосудами отслаивается, и начинается менструация. Приблизительно через две недели происходит следующая овуляция (то есть созревание следующей яйцеклетки), и цикл повторяется. Если на этот раз произойдет оплодотворение, то яйцеклетка имплантируется в слизистую оболочку матки, которая продолжает разрастаться под действием гормона желтого тела, которое в этом случае не рассасывается. Прогестерон не только стимулирует развитие функционального слоя слизистой оболочки матки, он также стимулирует образование плаценты (детского места) – органа, с помощью которого происходит питание развивающегося плода. Роль прогестерона в этом отношении была выяснена в работах на экспериментальных животных. Если крольчихе удалить яичники сразу после наступления беременности, то происходит выкидыш. Если же таким овариэктомироваиным животным вводить экстракты желтого тела, то беременность протекает нормально и заканчивается обычными родами.
Хотя образующаяся плацента тоже продуцирует прогестерон, желтое тело продолжает полноценно функционировать до последних месяцев беременности. На поздних ее сроках, когда увеличивается выработка прогестерона в плаценте, удаление яичников не приводит к прерыванию беременности.
Очевидно, что на время вынашивания беременности циклы созревания яйцеклеток должны прерваться. Остановка этого процесса созревания яйцеклеток каждые четыре недели на время вынашивания беременности обусловлена действием прогестерона.
На этом основан метод пероральной контрацепции. Обладающие свойствами прогестерона соединения, которые можно легко синтезировать в лабораторных и промышленных условиях, при приеме внутрь делают женщину бесплодной. (К счастью, только на время приема препаратов.) Если бы не было побочных эффектов и религиозных запретов, то пероральные контрацептивы могли бы стать самым практичным методом регулирования неконтролируемого роста населения, который наблюдается в последние годы. Такие практически безопасные аналоги прогестерона были синтезированы и успешно прошли клинические испытания.
ГОНАДОТРОПИНЫ
Так же как кортикоиды и тироксин, половые гормоны выделяются в тесном взаимодействии с гипофизом. Это очень легко показать в эксперименте, так как удаление гипофиза приводит к атрофии половых желез, невозможности забеременеть или к прерыванию беременности, если она наступила до удаления гипофиза. Кроме того, если у животного имеет место лактация, то прекращается и она.
Совсем не удивительно, что из передней доли гипофиза удалось выделить несколько гормонов, которые влияют на половое развитие. Каждый гормон выполняет свою специфическую функцию, все они объединены (вместе с веществами, имеющими сходную функцию, но вырабатываемыми другими органами) под общим названием гонадотропины («питающие половые железы», греч.). Один из этих гонадотропонов замечателен тем, что стимулирует рост и развитие фолликула, готовя его к созреванию яйцеклетки. Этот гормон, естественно, был назван фолликулостимулирующим гормоном, сокращенно ФСГ. Не думайте, однако, что этот гормон функционирует только у женщин. У самцов мужчин он стимулирует рост эпителиальных клеток определенного участка яичек, который вырабатывает сперматозоиды.
Второй гормон начинает работать, когда заканчивается действие ФСГ. У женщин этот гормон стимулирует финальную стадию созревания фолликула, его разрыв, высвобождение яйцеклетки и прекращение остатков фолликула в желтое тело. По этой причине (надеюсь, вы помните, как на латинском языке называется желтое тело?) этот второй гормон был назван лютеинизирующим гормоном, сокращенно ЛГ. У мужчин этот гормон стимулирует деятельность клеток, вырабатывающих тестостерон. Эти клетки (так же как аналогичные клетки яичников, на которые этот гормон тоже действует) называются интерстициальными. По этой причине он имеет еще одно название – гормон, стимулирующий интерстициальные клетки.
Хотя второе название длиннее, оно предпочтительнее, так как могла возникнуть терминологическая путаница с третьим гипофизарным гонадотропином, который берет на себя функции второго из рассмотренных гормонов, поддерживая существование уже образованного желтого тела и стимулируя выработку прогестерона. Этот третий гормон называется лютеотропным гормоном. Он функционирует после окончания беременности в тесном взаимодействии с эстрогенами, стимулируя рост молочных желез и лактацию. Эта функция была выявлена раньше, чем воздействие на желтое тело. Старое наименование гормона – лактогенный гормон («продуцирующий молоко», греч.), или пролактин («перед лактацией», лат.).
Стимулирует пролактин и другие стороны жизнедеятельности, связанные с послеродовым периодом. Если молодым самкам крыс вводить пролактин, то они начинают заниматься обустройством гнезда, даже если у их нет потомства. С другой стороны, если мышам удалить гипофиз накануне родов, то такие самки не проявляют никакого интереса к своим мышатам. Газеты когда-то окрестили пролактин гормоном материнской любви.
Взаимодействие между эстрогенами (или андрогенами) и различными половыми гормонами имеет чрезвычайно сложную природу. Управляющие этим взаимодействием прямые и обратные связи пока до конца не выяснены. В целом выработка гонадотропинов стимулируется низким содержанием в крови половых гормонов и подавляется высокими их концентрациями.
Более выраженное воздействие на выработку пролактина оказывает сосание. Это усиливает выработку пролактина, а следовательно, и молока. Несомненно, те случайные сообщения о том, что у коров лактация увеличивается, если в коровнике играет тихая приятная музыка, могут иметь под собой основания, так как стимуляция секреции пролактина происходит в обстановке, которая придаст животному чувство благополучия и безопасности.
При таком тесном взаимодействии гипофиза и половых желез не удивительно, что недостаточность гипофиза приводит к такому же эффекту, как кастрация самцов или удаление яичников у самок. Гипофизарная недостаточность у молодых проявляется карликовостыо, ожирением и остановкой полового созревания. Эти симптомы были описаны в 1901 году австрийским неврологом Альфредом Фрелихом и с тех пор получили название синдрома Фрелиха. (Слово «синдром» составлено из греческих корней, означающих «бегущие вместе». Так обозначают совокупность симптомов, каждый из которых может затрагивать не связанные между собой органы, но встречаются они вместе, так сказать, «бегут одной группой».)
Из всех трех гипофизарных гонадотропинов только лактогенный гормон был выделен в относительно чистом виде. Все гонадотропные гормоны, естественно, являются белками (гипофиз вырабатывает только белки) с молекулярным весом от 20 000 до 100 000. Препараты ФСТ и Л Г, как выяснилось при их анализе, содержат сахар, но насколько это важно для их функциональной активности, пока не ясно.
Плацента вырабатывает собственный гонадотропин, который несколько отличается от гонадотропинов гипофиза. Этот гормон называется хорионическим гонадотропином человека, сокращенно XГ («Хорион» – греческое название оболочек плода.) Уже па второй – четвертой неделе беременности ХГ продуцируется в количествах, достаточных для того, чтобы надежно прикрепить плаценту к стенке матки. Небольшая часть ХГ экскретируется с мочой. Выделение ХГ с мочой достигает пика на втором месяце беременности.
ХГ способен воспроизводить у экспериментальных животных некоторые эффекты гипофизарных гопадотропинов. Если введение экстракта мочи женщины вызывает такое действие па крыс, мышей или лягушек, то ясно, что в моче содержится много ХГ и, значит, у женщины имеет место беременность. На основе таких эффектов разработаны новые рутинные тесты на беременность, которые дают надежный ответ за несколько недель до того, как врач сможет выявить беременность с помощью несколько более грубых манипуляций.
