Приложение 1.  Некоторые аспекты биологии человека

Наш организм — целый мир, построенный из тканей, органов, систем, объединённых сложными регуляторными механизмами в единое целое. Внешне ткани очень непохожи друг на друга и отличаются по выполняемым ими функциям в жизненных процессах. Но во всём этом необыкновенном многообразии в организме человека Свыше заложены общие закономерности, единые для всех тканей. Сердце и мозг, скелетные мышцы и костная ткань образованы их структурными элементами — клетками. Звёздчатые, с длинными и короткими отростками в мозге, веретенообразной вытянутой формы в мышцах, полигональные (многоугольные) в печени — эти и другие структуры определяются функциями, выполняемыми клетками. Протекающие в клетке химические процессы направлены на обеспечение её собственного существования и выполнение определённой роли в организме.

Общий структурный признак всех клеток организма — наличие мембраны[90], окружающей её, формирующей её индивидуальную микроструктуру. Клеточная мембрана — граница, ограждающая внутриклеточную территорию от потерь и защищающая её от нежелательных воздействий извне.

Задач у клетки множество. Все ткани и органы обновляются, сохраняя функциональную полноценность, обеспечивают энергией многообразные биосинтетические процессы, расщепляют устаревшие молекулы, потерявшие свою работоспособность. Процессы анаболизма и катаболизма (синтеза и распада) строго сбалансированы. За счёт высокой специализации функций клеток у ряда органов (например, сердца, печени, мозга) нет дублёров. Каким же образом клетки получают информацию о необходимости «включения» того или иного процесса?

Источниками информации для клеток служат внешние воздействия на человека из окружающей среды. В организме существует многоступенчатая иерархическая система управления, чёткое соподчинение и взаимосвязь между всеми уровнями. Ненужные и лишние действия отсутствуют. Это важные принципы регуляции. Законодатель здесь — центральная нервная система. Её коммуникации — периферическая нервная система. Форма реализации команд — электрический сигнал. Средства её реализации — химические вещества, огромнейшее, несметное множество посредников разного химического строения, а, следовательно, и различного информативного уровня.

 Современная наука рассматривает три основные контролирующие и регулирующие системы организма. Это нервная, иммунная и эндокринная системы.

Нормальное функционирование органов нашего тела основано на том, что они должны потреблять одни вещества для выработки других, необходимых организму. Для решения этой задачи существует система внутреннего контроля и регулирования — гормональная, или эндокринная система.

Эндокринная система человека — это совокупность специальных органов (желез) и тканей, расположенных в разных частях организма.

Железы вырабатывают биологически активные вещества — гормоны (от греческого hormao — привожу в движение, побуждаю), которые выполняют роль химических агентов. Гормоны выделяются в межклеточное пространство, где его подхватывает кровь и переносит в другие части организма. Гормоны влияют на деятельность органов, изменяя физиологические и биохимические реакции путём активации или торможения ферментативных процессов (процессов ускорения биохимических реакций и регулирования обмена веществ). То есть, гормоны оказывают на органы-мишени специфическое действие, которое, как правило, не способны воспроизвести другие вещества. Гормоны участвуют во всех процессах роста, развития, размножения и обмена веществ. Химически гормоны представляют собой разнородную группу; многообразие представленных ими веществ включает стероиды, производные аминокислот, пептиды и белки.

Железы, вырабатывающие гормоны, называют железами внутренней секреции, эндокринными железами. Они выделяют продукты своей жизнедеятельности — гормоны — непосредственно в кровь или лимфу (гипофиз, надпочечники и др.). Есть также железы другого вида — железы внешней секреции (экзокринные). Они не выделяют свои продукты в кровоток, а выделяют секреты на поверхность тела, слизистых оболочек или во внешнюю среду. Это потовые, слюнные, слезные, молочные железы и другие. Деятельность желез регулируется нервной системой, а также гуморальными факторами (факторами из жидкой среды организма).

Биологическая роль эндокринной системы тесно связана с ролью нервной системы; эти две системы взаимно координируют функцию других органов и систем органов, нередко разделённых значительным расстоянием.

Основные железы внутренней секреции это — гипоталамус, гипофиз, щитовидная железа, околощитовидные железы, поджелудочная железа, надпочечники и половые железы.

Центральным звеном эндокринной системы является гипоталамус и гипофиз.

Гипоталамус — это орган головного мозга, который, наподобие диспетчерской, даёт распоряжения по выработке и распределению гормонов в нужном количестве и в нужное время.

Гипофиз – железа, расположенная в основании черепа, выделяющая большое количество трофических гормонов — тех, которые стимулируют секрецию других эндокринных желез.

Гипофиз и гипоталамус надёжно защищены костным скелетом черепа и выполнены природой в уникальном для каждого организма, единственном экземпляре.

 Периферическое звено эндокринной системы — щитовидная железа, поджелудочная железа, надпочечники, половые железы.

Щитовидная железа — секретирует три гормона; расположена под кожей в передней поверхности шеи, и ограждена от верхних дыхательных путей половинками щитовидного хряща. К ней примыкают четыре небольшие околощитовидные железы, участвующие в обмене кальция.

Поджелудочная железа — этот орган является одновременно экзокринным и эндокринным. Как эндокринный, он вырабатывает два гормона — инсулин и глюкагон, регулирующие обмен углеводов. Поджелудочная железа вырабатывает и снабжает пищеварительный тракт ферментами для расщепления пищевых белков, жиров и углеводов.

С почками граничат надпочечники, объединяющие деятельность двух типов желез.

Надпочечники — представляют собой две небольшие железы, расположенные по одной над каждой почкой и состоящие из двух самостоятельных частей — коры и мозгового вещества.

Половые железы (яичники у женщин и яички у мужчин) — вырабатывают половые клетки и другие основные гормоны, участвующие в репродуктивной функции.

Как мы уже знаем, все эндокринные железы и отдельные специализированные клетки синтезируют и секретируют в кровь гормоны.

Исключительна мощь регулирующего воздействия гормонов на все функции организма. Их сигнальная молекула вызывает разнообразные изменения в обмене веществ: регулирует перераспределение энергетического материала и скорость его использования, управляет пополнением топливно-энергетических ресурсов или мобилизует их, усиливает выделение секретов — продуктов деятельности органов, других желез внутренней секреции и т.д. Они определяют ритм процессов синтеза и распада, реализуют целую систему мер для поддержания водного и электролитного баланса — словом, создают индивидуальный оптимальный внутренний микроклимат, отличающийся стабильностью и постоянством, благодаря исключительной гибкости, способности к молниеносному реагированию и специфичности регуляторных механизмов и контролируемых ими систем.

Выпадение каждого из компонентов гормональной регуляции из общей системы нарушает единую цепь регуляции функций организма и приводит к развитию различных патологических состояний.

Спрос на гормоны определяется местными условиями, возникающими в тканях или органе, наиболее зависимом от определённого химического законодателя.

Если представить, что мы попали в режим повышенной эмоциональной нагрузки, то обменные процессы усиливаются. Необходимо обеспечить организм дополнительными средствами для преодоления возникших проблем. Глюкоза и жирные кислоты, легко распадаясь, могут обеспечить мозг, сердце и ткани других органов энергией. Их не нужно срочно вводить с пищей, так как в печени и мышцах существуют запасы полимера глюкозы — гликогена, животного крахмала, а жировая ткань надёжно обеспечивает нас резервным жиром. Этот метаболический запас обновляется, поддерживается в хорошем состоянии ферментами, использующими их в случае необходимости и своевременно пополняющимися при первой же возможности, при появлении малейших избытков.

Ферменты, способные расщеплять продукты наших запасов, расходуют их только по команде, приносимой к тканям гормонами.

В организме вырабатывается множество гормонов. Они обладают разным строением, им свойствен различный механизм действия, они изменяют активность существующих ферментов и регулируют процесс их биосинтеза заново, обусловливая рост, развитие организма, оптимальный уровень обмена веществ.

В клетке сосредоточены разнообразные внутриклеточные службы — системы по переработке питательных веществ, преобразованию их в элементарно простые химические соединения, которые могут быть использованы по усмотрению на месте (например, для поддержания определённого температурного режима). Наш организм живёт при оптимальном для него температурном режиме — 36-37°С. В норме в тканях не возникает резких температурных перепадов. Резкая смена температуры для организма, не подготовленного к этому — фактор опустошительного разрушения, способствующий грубому нарушению целостности клетки, её внутриклеточных образований.

В клетке имеются силовые станции, деятельность которых в основном специализирована на аккумуляции энергии. Они представлены сложными мембранными образованиями – митохондриями.

Специфика деятельности митохондрий заключается в окислении, расщеплении органических соединений, питательных веществ, образовавшихся из белков, (углеводов и жиров пищи), но в результате предшествующих обменных превращений, потерявших уже признаки молекул биополимеров. Распад в митохондриях сопряжён с важнейшим для жизнедеятельности процессом. Происходит дальнейшее разукрупнение молекул и образование абсолютно идентичного продукта независимо от первичного источника. Таково наше топливо, которое организм использует очень осмотрительно, поэтапно. Это позволяет не только получать энергию в виде тепла, обеспечивающего комфортность нашего существования, но и главным образом накапливать её в виде универсальной энергетической валюты живых организмов — АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).

Высокая разрешающая способность электронно-микроскопических устройств позволила распознать структуру митохондрий. Фундаментальные исследования отечественных и зарубежных учёных способствовали познанию механизма уникального процесса — аккумуляции энергии, служащего проявлением функции внутренней мембраны митохондрий. В настоящее время сформировалась самостоятельная отрасль знаний об энергообеспечении живых существ — биоэнергетика, изучающая судьбу энергии в клетке, пути и механизмы её накопления и использования.

В митохондриях биохимические процессы превращения молекулярного материала имеют определённую топографию (расположение в организме). Ферментные системы окисления жирных кислот, аминокислот, а также комплекс биокатализаторов, образующих единый цикл по распаду карбоновых кислот в результате предшествующих реакций распада углеводов, жиров, белков, потерявших сходство с ними, обезличенных, унифицированных до десятка однотипных продуктов, которые сосредоточены в матриксе[91]митохондрий — составляют так называемый цикл лимонной кислоты, или цикл Кребса.

Деятельность этих ферментов позволяет накапливать в матриксе могучую силу энергетических ресурсов. Вследствие этого митохондрииобразно называют электростанциями клетки. Они могут использоваться для процессов восстановительного синтеза, а также образуют горючий материал, из которого набор ферментов, вмонтированных асимметрично поперёк внутренней мембраны митохондрий, извлекает энергию для жизнедеятельности клетки. Окислителем в обменных реакциях служит кислород. В природе взаимодействие водорода и кислорода сопровождается лавинообразным выделением энергии в виде тепла.

При рассмотрении функций любых клеточных органелл (“органов” простейших) становится очевидным, как их деятельность и режим работы клетки зависят от состояния мембран, их проницаемости, специфики набора ферментов, образующих их и служащих строительным материалом этих образований.

Правомочна аналогия между текстами — набором букв, образующих слова, складывающиеся во фразы — и способом шифрования информации в нашем организме. Имеется в виду последовательность чередования нуклеотидов (составной части нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений) в молекуле ДНК — генетическом коде, в котором, как в древнем манускрипте, сосредоточены необходимые сведения о воспроизведении белков, присущих данному организму. Примером кодирования информации языка органических молекул может служить наличие рецептора, узнаваемого гормоном, распознающего его среди массы различных соединений, сталкивающихся с клеткой.

Когда какое-то соединение устремляется в клетку, то самопроизвольно проникнуть в неё оно не может. Барьером служит биологическая мембрана. Однако в неё предусмотрительно вмонтирован специфический переносчик, который доставляет претендента на внутриклеточную локализацию по назначению.

Возможно ли в организме различное «толкование» его молекулярных обозначений — “текстов”? Совершенно очевидно, что это — реальный путь к дезорганизации всех процессов в клетках, тканях, органах.

«Внешнедипломатическая служба» позволяет клетке ориентироваться в событиях внеклеточной жизни на уровне органа, постоянно находиться в курсе текущих событий во всём организме, выполняя распоряжения нервной системы с помощью гормонального контроля, получая топливно-энергетический и строительный материал. Помимо этого, внутри клетки постоянно и гармонично идёт своя молекулярная жизнь.

В клеточном ядре хранится клеточная память — нуклеиновые кислоты, в структуре которых закодирована программа образования (биосинтеза) разнообразнейшего набора белков. Они осуществляют строительно-структурную функцию, являются биокатализаторами-ферментами, могут осуществлять транспорт некоторых соединений, исполнять роль защитников от чужеродных агентов (микробов и вирусов).

Программа содержится в ядерном материале, а работу по построению этих крупных биополимеров осуществляет целая конвейерная система. В генетически строго определённой последовательности подбираются и скрепляются в единую цепь аминокислоты, кирпичики белковой молекулы. Эта цепь может насчитывать тысячи аминокислотных остатков. Но в микромире клетки невозможно было бы разместить весь необходимый материал, если бы не исключительно компактная упаковка его в пространстве.

Этиловый спирт вторгается в нормальную глубоко внутреннюю жизнь организма на клеточном уровне как разрушитель. Малые размеры элементарно устроенной молекулы винного спирта исключают необходимость дробления её в пищеварительном тракте — ротовой полости, пищеводе, желудке и кишечнике. Наличие дифильных свойств – способности растворяться в воде и растворять жиры — обеспечивает льготные условия для усвоения этанола. Уже в желудке, где всасывается около 20 % спирта, и в двенадцатиперстной кишке, из которой поступает в кровь остальное его количество, физические и химические свойства спирта обусловливают повреждение слизистой оболочки.

На пищеварение возложена ответственная функция. Употребляемой пище предстоит пройти длинную дистанцию. Этот процесс начинается в ротовой полости. Желудок и тонкий кишечник, особенно начальная его часть — двенадцатиперстная кишка, — главная лаборатория по химической переработке пищевых продуктов. В их просвет ритмично, в соответствии с ритуалом приёма пищи, строго индивидуально, в зависимости от её качественного и количественного состава поступают секреты, богатые ферментами, соляной кислотой, бикарбонатами.

Поджелудочная железа, железы кишечника, желчный пузырь, освобождаясь от содержимого, заполняют двенадцатиперстную кишку секретами, желчью, необходимыми для расщепления и транспортирования жиров, жирорастворимых витаминов, углеводов и белков. Другими словами, создаются условия, необходимые для того, чтобы сложные углеводы превратились в набор моносахаридов, белки — в смесь аминокислот, из жиров образовались жирные кислоты, глицерин, а также ряд низкомолекулярных органических и минеральных соединений. Далее в пищеварительном тракте осуществляется сортировка этого набора различных по строению, массе и растворимости веществ. Что-то выводится наружу, какой-то минимум остаётся для поддержания жизни микрообитателей толстого кишечника.

Со многими микроорганизмами у нас налажены отношения “взаимовыручки”: мы им — пищевые продукты, они нам — некоторые витамины группы В и участие в расщеплении некоторых сложных соединений, на которые организм не затрачивает собственные усилия. Потом, естественно, организму приходится за эти услуги расплачиваться — обезвреживать токсические соединения, образующиеся при жизнедеятельности микрофлоры (например, попадающие в организм из окружающей среды с «плохой экологией»), но при здоровой и состоятельной печёночной ткани это привычная, рутинная работа, с которой печень легко справляется.

Алкоголь вмешивается в налаженный режим работы пищеварительного тракта, вызывая изменения состояния слизистой на всём её протяжении и внося тем самым диссонанс в процессы переваривания и транспортировки пищи. Нарушаются тонкие процессы пристеночного пищеварения, изменяется постоянство строения плазматических мембран клеток кишечной стенки.

Этанол всасывается за счёт диффузии[92]. Необходимо отметить, что эта операция осуществляется им с молниеносной скоростью. Беспрепятственно преодолевающий липидно[93]-белковый состав мембран, преимущественно разжижающий гидрофобный (способный не смачиваться водой, как бы «водоотталкивающий») липидный слой, этиловый спирт уже через несколько минут после его приёма обнаруживается в крови.

Уже при однократном поступлении этанола, в клеточных мембранах наблюдаются структурные перестройки. Укорачиваются жирные кислоты фосфолипидных[94] компонентов. В них образуются двойные связи, происходит дефектная упаковка молекулярного материала в мембранах. Они становятся как бы «дырявыми», в щели могут проникать те вещества, для которых мембрана обычно служит преградой.

На дезорганизующее многократное поступление этилового спирта организм реагирует усиленной поставкой в мембраны холестерина — циклического соединения, синтезируемого из продуктов обмена глюкозы и жирных кислот. Холестерин цементирует мембраны, повышая их жёсткость и снижая «текучесть». Однако это не спасает клетку. При алкогольной интоксикации образуются нетипичные фосфолипиды, обладающие токсическим действием на клетки. В мембранах изменяется типичный для них углеводный профиль: снижается содержание гликолипидов, гликопротеидов, сложных белков, содержащих углеводные компоненты. При этом изменяется трансмембранный перенос (перенос через, сквозь мембраны) ионов кальция, что обусловливает нарушение процессов передачи нервных импульсов. Такие серьёзные повреждения в мембранах отмечаются параллельно с развитием пристрастия к алкоголю, способности переносить повышенные дозы — признаками, характерными для хронического алкоголизма. Считается, что проводимая этанолом «реконструкция» мембран служит одним из механизмов формирования влечения и зависимости от алкоголя.

Примечания:

9

 Государственная Дума РФ — главный законодательный орган.

90

 Биологическая мембрана (от латинского membrana — перепонка) — тонкие (не более 10 нм — 10^-8 м — толщиной) липопротеидные плёнки, состоящие из двойного слоя липидных (жировых) молекул, в который включены молекулы разнообразных белков. Расположены на поверхности клеток (плазматическая мембрана) и внутриклеточных частиц (ядра, митохондрий и др.). В весовом отношении в зависимости от типа мембраны на долю липидов приходится 25-60 %, а на долю белков — 40-75 %.

91

 Матрикс (от латинского mater — основа, мать) — в биологии — мелкозернистое полужидкое вещество, заполняющее внутриклеточные структуры: ядра, митохондрии, пластиды и другие органоиды, а также пространства между ними.

92

 Диффузия (от латинского diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — явление самопроизвольного проникновения соприкасающихся веществ друг в друга, обусловленное тепловым движением атомов, молекул, ионов и других частиц. Скорость протекания процесса диффузии зависит от рода диффундирующих веществ и температуры.

93

 Липиды — жиры.

94

 Фосфолипиды — сложные липиды, содержащие фосфорную кислоту. Фосфолипиды содержатся во всех живых клетках, являются важнейшими компонентами биологических мембран нервной ткани. В составе липопротеидов крови фосфолипиды участвуют в транспорте жиров, жирных кислот и холестерина.