выработки фермента для расщепления пищевого сахара у кишечной палочки. Эта

бактерия является типичным гетеротрофом и поглощает из внешней среды

несложные органические вещества, в том числе молочный сахар лактозу. Для

расщепления и усвоения лактозы с определенного структурного гена, входящего в

состав лактозного оперона (ген вместе с регуляторной областью) синтезируется

информационная РНК и, далее, фермент (см. центральную догму молекулярной

биологии - сегмент 22, рис. 13). Если сахар в среде отсутствует, фермент не

вырабатывается, а при добавлении сахара активируется ген и идет синтез

фермента. Но как только весь сахар будет клеткой использован, ген перестает

работать. Как клетка узнает о присутствии сахара и его расходовании? Как

оберегает свои гены от бесполезной работы и траты энергии? Регуляция генов у

бактерий, как у всех прокариот, в целом организована гораздо проще, чем в

эукариотных клетках. Оказывается, лактозный оперон у кишечной палочки

работает по принципу отрицательной обратной связи, где в роли регуляторного

«клапана» выступает особый участок оперона - оператор, а в роли регулятора

сам пищевой субстрат - лактоза (рис. 19). Лактоза, поступившая в клетку, сама

раскрывает структурный ген, используя для этого в качестве ключика

операторный участок. Исчезновение лактозы автоматически приводит к закрытию

гена.

Рис. 19

Лактозный оперон - участок молекулы ДНК - состоит из трех частей:

промотора, оператора и структурного гена. Промотор - стартовый участок

гена, сюда садится фермент РНК-полимераза, ведущий транскрипцию. Оператор -

пусковой барьер, в отсутствие лактозы закрытый специальным белком-репрессором.

Структурный ген (точнее - здесь находится цепочка, семейство генов) -

основной участок ДНК, кодирующий и производящий через иРНК нужный

белок-фермент. Пока оператор связан с белком-репрессором, полимераза не может

стартовать и структурный ген не работает, синтез фермента отсутствует (см. рис.

19 а). Когда в клетку попадает лактоза, одна ее молекула связывается с

репрессором и отнимает его от оператора. Теперь путь полимеразе открыт, идет

синтез иРНК (транскрипция) и, далее, синтез соответствующего белка-фермента

(трансляция) (рис. 19 б). Ферменты расщепляют поступивший в клетку сахар и в

последнюю очередь ту его молекулу, которая связана с репрессором. Но когда

будет переварена и эта последняя молекула, белок-репрессор освобождается и

вновь блокирует оператор. Производство иРНК и фермента прекращается до

поступления новой порции сахара. По своей простоте система регуляции гена

концентрацией субстрата похожа на простые технические регуляторы. Напомним,

однако, что у эукариот регуляция генной активности более сложная. Она включает

возбуждение клеточных рецепторов гормонами или другими биологически активными

веществами, запуск каскада реакций вторичных мессенджеров, которые поступают в

ядро и избирательно активируют гены.

Другой пример простых саморегулирующихся систем, использующих обратную

отрицательную связь, представляют ферментативные цепи, ингибируемые

конечным продуктом (рис. 20). Такие цепи обычно локализуются на

поверхности внутриклеточных или наружных мембран и проводят комплексную

переработку сложного субстрата в простой продукт. Суть регуляции состоит в том,

что конечный продукт имеет стереохимическое сродство с первым ферментом.

Связываясь с ферментом, продукт ингибирует (подавляет) его активность, так как

полностью искажает его третичную структуру. Работает следующий регуляторный

цикл. При повышении концентрации конечного продукта выше необходимого уровня

его избыток ингибирует ферментную цепь (для этого достаточно остановить самый

первый фермент). Ферментация прекращается, а свободный продукт расходуется на

нужды клетки. Через некоторое время возникает дефицит продукта, блок с

ферментов снимается, цепь активируется, и производство продукта снова растет.

Рис. 20

Третий пример- поддержание внутриклеточного осмотического гомеостаза

. В сегменте 19 мы говорили о механизме возникновения нервных импульсов и

отмечали важную роль ионов натрия, концентрация которых снаружи клетки должна

поддерживаться на более высоком уровне, чем внутри. Благодаря натриевым

насосам, встроенным в мембрану клетки, удерживается нужный градиент ионов. Как

только клетка получает избыток натрия, активируется натриевый насос (его

фермент, расщепляющий АТФ и дающий энергию). Натрий выкачивается, его

концентрация в клетке падает, что служит сигналом для отключения насоса.

Аналогично в клетках растений с помощью плазмалеммы (наружной мембраны) и

вакуолей регулируется состав солей и питательных веществ. Плазмалемма

обеспечивает приток в клетку необходимых ионов и воды из внешней среды и

выделение балластных и избыточных ионов водорода, натрия, кальция. Мембрана

вакуоли регулирует поступление в протоплазму запасных субстратов из вакуоли

при их недостатке и удаление в вакуоль - при избытке.

Во всех рассмотренных случаях действует один и тот же принцип - саморегуляция

системы на основе обратной отрицательной связи. Заметим, однако, что

регулируемые параметры - концентрация солей, питательных веществ, конечного

продукта ферментации или продукта генной активности - не бывают абсолютно

постоянными, они поддерживаются в допустимых границах. В каждом случае

это свои физиологические границы, позволяющие нормально осуществлять клеточные

функции. Аналогичный принцип мы увидим и на организменном уровне.

СЕГМЕНТ 28. САМОРЕГУЛЯЦИЯ МНОГОКЛЕТОЧНОГО ОРГАНИЗМА

Как мы только что видели, уже на клеточном уровне возникает необходимость

поддержания специфических физико-химических условий, отличающихся от условий

окружающей среды. У многоклеточных организмов появляется внутренняя среда, в

которой находятся клетки различных органов и тканей, происходит усложнение

и совершенствование механизмов гомеостаза. В ходе эволюции формируются

специализированные органы кровообращения, дыхания, пищеварения, выделения и

др., участвующие в поддержании гомеостаза.

У морских беспозвоночных имеются механизмы стабилизации объема, ионного

состава и рН жидкостей внутренней среды. Для животных, перешедших к жизни в

пресных водах и на суше, а также у позвоночных, мигрировавших из пресных вод

в море, сформированы механизмы осморегуляции, обеспечивающие постоянство

концентрации солей внутри организма.

Наиболее совершенен гомеостаз у млекопитающих, что способствует расширению

возможностей их приспособления к окружающей среде. В частности,

обеспечивается постоянство объема крови и других внеклеточных жидкостей,

концентрации в них ионов, осмотически активных веществ, постоянство рН крови,

состава в ней белков, липидов и углеводов. У млекопитающих, а также у птиц, в

узких пределах регулируется температура тела - их называют теплокровными

животными.

Основную роль в поддержании гомеостаза организма играют нервная и

гормональная системы регуляции (см. рис. 17 г).

Наиболее важную интегрирующую функцию выполняет центральная нервная система

, особенно кора головного мозга. Большое значение имеет и вегетативная

нервная система, в частности ее симпатический отдел - система ганглиев

(скоплений нервных клеток), расположенных по бокам позвоночника, в брыжейке и

других частях тела (например, солнечное сплетение). Чувствительные нервные

волокна охватывают сетью все внутренние органы, кровеносные сосуды, обеспечивая

рефлекторную взаимосвязь между ними.

Гормональная регуляция обеспечивается системой эндокринных желез

(от греческих endon - внутрь и krino - выделяю) - желез внутренней секреции.

Центральная эндокринная железа - гипофиз - находится в голове и имеет прямую

связь с головным мозгом (через посредство гипоталамуса), а ее гормоны через

кровь воздействуют на все местные эндокринные железы- такие как щитовидная,

паращитовидная, надпочечники, а также скопления эндокринных клеток в

поджелудочной и слюнной железах, семенниках, яичниках, тимусе, плаценте и даже

в сердце, желудке, кишечнике, почках. Выделяемые эндокринными железами гормоны

с током крови (гуморально) распространяются ко всем органам-мишеням и участвуют

в регуляции их роста (см. сегмент 25) и функционирования. Таким образом,

фактически благодаря связи нервной и эндокринной систем осуществляется единая

нейрогормональная саморегуляция организма.

В рамках данного пособия придется ограничиться лишь некоторыми примерами,

демонстрирующими нейрогормональную регуляцию, без какой-либо претензии на

комплексное освещение вопроса.

Примером сложной гомеостатической системы является система обеспечения

оптимального артериального давления. Изменение давления крови

воспринимается барорецепторами сосудов - чувствительными нервными окончаниями,

реагирующими на растяжение стенок сосудов при изменении внутреннего давления.

Сигнал передается в сосудистые нервные центры, которые обратным сигналом

изменяют тонус сосудов и сердечную деятельность. Одновременно включается

система нейрогормональной регуляции и кровяное давление возвращается к норме.

Интересна и показательна регуляция пищевого поведения у позвоночных

животных и человека (рис. 21). В гипоталамусе - отделе головного мозга,

ответственном за регуляцию вегетативных функций и связующем нервную и

эндокринную системы (см. выше) - находятся центры голода и насыщения. В крови

голодного животного (или человека) возникает недостаток глюкозы - простейшего

сахара (углевода), который всасывается всеми клетками и расходуется для

получения энергии (см. сегмент 13). Низкая концентрация глюкозы в крови

приводит к раздражению центра голода. По нервным связям отдаются команды в

мозг, на мышцы, и организуется поиск пищи. Когда пища найдена, включаются

механизмы питания, пищеварения и всасывания продуктов в кровь. При этом белки

перевариваются (расщепляются) до аминокислот, липиды до жирных кислот, а

сложные углеводы до простых сахаров, в том числе глюкозы. Концентрация глюкозы

в крови растет, что приводит к раздражению центра насыщения, далее к подавлению

аппетита и прекращению питания. Когда глюкоза расходуется, ее концентрация в

крови вновь понижается, отчего раздражается центр голода. Цикл повторяется.

Поскольку гипоталамус связан и с нервными центрами, и со всей эндокринной

системой, цикл пищевого поведения синхронизирован также с нервно-рефлекторной и

гуморальной регуляцией желез пищеварительного тракта: выделяется слюна,

желудочный сок, ферменты поджелудочной железы и кишечника, мобилизуется

перистальтика.

Рис. 21

На основе процессов саморегуляции происходит морфологическая и

стрессовое воздействие. В результате постоянных тренировок увеличиваются

мышцы спортсмена, легкие ныряльщика. Увеличение нагрузки по прокачиванию крови

ведет к гипертрофии сердца у тучного человека. Увеличивается и печень у

больного человека. Характерная функциональная реакция развивается в ответ на

гипоксию (недостаток кислорода): учащение пульса и увеличение числа

эритроцитов, приводящие вместе к более быстрому обороту газов через организм.

Или - реакция испуга, страха: выброс в кровь стрессового гормона адреналина

ведет к повышению потребления кислорода, повышению концентрации глюкозы в

крови, учащению пульса и мобилизации мышечной системы - все для мобилизации

организма на оборону или избежание опасности. Другие системы при этом

угнетаются - пропадают пищевые реакции, половые рефлексы и др. После

исчезновения опасности все системы возвращаются в норму.

Механизм обратной отрицательной связи вовлечен в поддержание постоянства

числа клеток в обновляющихся тканях, таких как кровь, кишечный или кожный

эпителий (рис. 22). В этих тканях имеется резерв недифференцированных клеток

(например, красный костный мозг для крови), которые многократно делятся,

дифференцируются, работают, стареют и отмирают. Считают, что зрелые клетки

выделяют вещества, ингибирующие молодые делящиеся клетки. Выстраивается цепь

взаимозависимых реакций: при избытке зрелых клеток продукция ингибитора высока

и размножение клеток подавляется; уменьшение числа зрелых клеток в результате

их естественной гибели сопровождается снижением концентрации ингибитора в

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23