13.3 Механизмы регуляции гомеостаза на молекулярно-генетическом,

клеточном, организменном, популяционно-видовом и биосферном уровнях

Регуляторные гомеостатические механизмы функционируют на ген-

ном, клеточном и системном (организменном, популяционно-видовом и

биосферном) уровнях.

Генные механизмы гомеостаза. Все явления гомеостаза организма ге-

нетически детерминированы. Уже на уровне первичных генных продуктов

существует прямая связь — «один структурный ген — одна полипептид-

ная цепь». Причем между нуклеотидной последовательностью ДНК и по-

следовательностью аминокислот полипептидной цепи существует колли-

неарное соответствие. В наследственной программе индивидуального раз-

вития организма предусмотрено формирование видоспецифических харак-

теристик не в постоянных, а в меняющихся условиях среды, в пределах на-

следственно обусловленной нормы реакции. Двуспиральность ДНК имеет

существенное значение в процессах ее репликации и репарации. И то и

другое имеет непосредственное отношение к обеспечению стабильности

функционирования генетического материала.

С генетической точки зрения можно различать элементарные и сис-

темные проявления гомеостаза. Примерами элементарных проявлений го-

меостаза могут служить: генный контроль 13 факторов свертывания крови,

генный контроль гистосовместимости тканей и органов, позволяющий

осуществить трансплантацию.

Пересаженный участок называется трансплантатом. Организм, у

которого берут ткань для пересадки, является донором, а к которому пере-

саживают — реципиентом. Успех трансплантации зависит от иммуноло-

гических реакций организма. Различают аутотрансплантацию, сингенную

трансплантацию, аллотрасплантацию и ксенотрансплантацию.

Аутотрансплантация — пересадка тканей у одного и того же орга-

низма. При этом белки (антигены) трансплантата не отличаются от белков

реципиента. Иммунологическая реакция не возникает.

Сингенная трансплантация проводится у однояйцовых близнецов,

имеющих одинаковый генотип.

Аллотрансплантация — пересадка тканей от одной особи к другой, отно-

сящихся к одному виду. Донор и реципиент отличаются по антигенам, поэтому у

высших животных наблюдается длительное приживление тканей и органов.

Ксенотрансплантация — донор и реципиент относятся к разным ви-

дам организмов. Этот вид трансплантации удается у некоторых беспозвоноч-

ных, но у высших животных такие трансплантанты не приживаются.

131

При трансплантации большое значение имеет явление иммунологиче-

ской толерантности (тканевой совместимости). Подавление иммунитета

в случае пересадки тканей (иммунодепрессия) достигается: подавлением

активности иммунной системы, облучением, введением антилимфотиче-

ской сыворотки, гормонов коры надпочечников, химических препаратов —

антидепрессантов (имуран). Основная задача подавить не просто иммуни-

тет, а трансплантационный иммунитет.

Трансплантационный иммунитет определяется генетической кон-

ституцией донора и реципиента. Гены, ответственные за синтез антигенов,

вызывающих реакцию на пересаженную ткань, называются генами ткане-

вой несовместимости.

У человека главной генетической системой гистосовместимости явля-

ется система HLA (Human Leukocyte Antigen). Антигены достаточно полно

представлены на поверхности лейкоцитов и определяются с помощью ан-

тисывороток. План строения системы у человека и животных одинаков.

Принята единая терминология для описания генетических локусов и алле-

лей системы HLA. Антигены обозначаются: HLA-A₁, HLA-A₂и т. д. Новые

антигены, окончательно не идентифицированные обозначают — W (Work).

Антигены системы HLA делят на 2 группы: SD и LD (рисунок 11).

Антигены группы SD определяются серологическими методами и детер-

минируются генами 3-х сублокусов системы HLA: HLA-A, HLA-B, HLA-C.

(HLA-A₁, HLA-A₂, HLA-A₃и т. д.)

ГРУППЫ АНТИГЕНОВ

SD

генные сублокусы

LD

генные сублокусы

HLA-A

HLA-B

HLA-C

HLA-D

Рисунок 11 — HLA главная генетическая система гистосовместимости человека

LD — антигены контролируются сублокусом HLA-D шестой хромо-

сомы, и определяются методом смешанных культур лейкоцитов.

Каждый из генов, контролирующих HLA — антигены человека, имеет

большое число аллелей. Так сублокус HLA-A — контролирует 19 антиге-

нов, HLA-B — 20, HLA-C — 5 «рабочих» антигенов, HLA-D — 6. Таким

образом, у человека уже обнаружено около 50 антигенов.

132

Антигенный полиморфизм системы HLA является результатом проис-

хождения одних от других и тесной генетической связи между ними. Иден-

тичность донора и реципиента по антигенам системы HLA необходима при

трансплантации. Пересадка почки, идентичной по 4 антигенам системы, обес-

печивает приживаемость на 70 %; по 3 — 60 %; по 2 — 45%; по 1 — 25 %.

Имеются специальные центры, ведущие подбор донора и реципиента

при трансплантации, например в Голландии – «Евротрансплантат». Типи-

рование по антигенам системы HLA проводится и в Республике Беларусь.

Клеточные механизмы гомеостаза направлены на восстановление

клеток тканей, органов в случае нарушения их целостности. Совокупность

процессов, направленных на восстановление разрушаемых биологических

структур называется регенерацией. Такой процесс характерен для всех

уровней: обновление белков, составных частей органелл клетки, целых ор-

ганелл и самих клеток. Восстановление функций органов после травмы

или разрыва нерва, заживление ран имеет значение для медицины с точки

зрения овладения этими процессами.

Ткани, по их регенерационной способности, делят на 3 группы:

1. Ткани и органы, для которых характерны клеточная регенерация

(кости, рыхлая соединительная ткань, кроветворная система, эндотелий,

мезотелий, слизистые оболочки кишечного тракта, дыхательных путей и

мочеполовой системы).

2. Ткани и органы, для которых характерна клеточная и внутрикле-

точная регенерация (печень, почки, легкие, гладкие и скелетные мышцы,

вегетативная нервная система, эндокринная, поджелудочная железа).

3. Ткани, для которых характерна, преимущественно, внутриклеточ-

ная регенерация (миокард) или исключительно внутриклеточная регенера-

ция (клетки ганглиев центральной нервной системы). Она охватывает про-

цессы восстановления макромолекул и клеточных органелл путем сборки

элементарных структур или путем их деления (митохондрии).

В процессе эволюции сформировалось 2 типа регенерации физиоло-

гическая и репаративная.

Физиологическая регенерация — это естественный процесс восстанов-

ления элементов организма в течениие жизни. Например, восстановление

эритроцитов и лейкоцитов, смена эпителия кожи, волос, замена молочных зу-

бов на постоянные. На эти процессы влияют внешние и внутренние факторы.

Репаративная регенерация — это восстановление органов и тканей,

утраченных при повреждении или ранении. Процесс происходит после ме-

ханических травм, ожогов, химических или лучевых поражений, а также в

результате болезней и хирургических операций.

Репаративная регенерация подразделяется на типичную (гомоморфоз) и

атипичную (гетероморфоз). В 1-м случае регенерирует орган, который был

удален или разрушен, во 2-м — на месте удаленного органа развивается другой.

133

Атипичная регенерация чаще встречается у беспозвоночных.

Регенерацию стимулируют гормоны гипофиза и щитовидной желе-

зы. Различают несколько способов регенерации:

1. Эпиморфоз или полная регенерация — восстановление раневой по-

верхности, достраивание части до целого (например, отрастание хвоста у

ящерицы, конечности у тритона).

2. Морфоллаксис — перестройка оставшейся части органа до целого,

только меньших размеров. Для этого способа характерна перестройка нового

из остатков старого (например, восстановление конечности у таракана).

3. Эндоморфоз — восстановление за счет внутриклеточной пере-

стройки ткани и органа. Благодаря увеличению числа клеток и их размеров

масса органа приближается к исходному.

У позвоночных репаративная регенерация осуществляется в следую-

щей форме:

1. Полная регенерация — восстановление исходной ткани после ее

повреждения.

2. Регенерационная гипертрофия, характерная для внутренних орга-

нов. При этом раневая поверхность заживает рубцом, удаленный участок не

отрастает и форма органа не восстанавливается. Масса оставшейся части ор-

гана увеличивается за счет увеличения числа клеток и их размеров и прибли-

жается до исходной величины. Так у млекопитающих регенерирует печень,

легкие, почки, надпочечники, поджелудочная, слюнные, щитовидная железа.

3. Внутриклеточная компенсаторная гиперплазия ультраструктур

клетки. При этом на месте повреждения образуется рубец, а восстановле-

ние исходной массы происходит за счет увеличения объема клеток, а не их

числа на основе разрастания (гиперплазии) внутриклеточных структур

(нервная ткань).

Системные механизмы обеспечиваются взаимодействием регулятор-

ных систем: нервной, эндокринной и иммунной.

Нервная регуляция осуществляется и координируется ЦНС. Нервные

импульсы, поступая в клетки и ткани, вызывают не только возбуждение,

но и регулируют химические процессы, обмен биологически активных ве-

ществ. В настоящее время известно более 50 нейрогормонов. Так, в гипота-

ламусе вырабатывается вазопрессин, окситоцин, либерины и статины, регу-

лирующие функцию гипофиза. Примерами системных проявлений гомеоста-

за являются сохранение постоянства температуры, артериального давления.

С позиций гомеостаза и адаптации, нервная система является главным

организатором всех процессов организма. В основе приспособления, урав-

новешивания организмов с окружающими условиями, по Н.П. Павлову,

лежат рефлекторные процессы. Между разными уровнями гомеостатиче-

ского регулирования существует частная иерархическая соподчиненность

в системе регуляции внутренних процессов организма (рисунок 12).

134

Кора полушарий и отделы головного мозга

Саморегуляция по принципу обратной связи

Периферические нервно-регуляторные процессы, местные рефлексы

Клеточный и тканевой уровени гомеостаза

Рисунок 12 — Иерархическая соподчиненность

в системе регуляции внутренних процессов организма

Самый первичный уровень составляют гомеостатические системы

клеточного и тканевого уровня. Над ними представлены периферические

нервные регуляторные процессы типа местных рефлексов. Далее в этой

иерархии располагаются системы саморегуляции определенных физиоло-

гических функций с разнообразными каналами «обратной связи». Верши-

ну этой пирамиды занимает кора больших полушарий и головной мозг.

В сложном многоклеточном организме как прямые, так и обратные

связи осуществляются не только нервными, но и гормональными (эндок-

ринными) механизмами. Каждая из желез, входящая в эндокринную сис-

тему, оказывает влияние на прочие органы этой системы и, в свою очередь,

испытывает влияние со стороны последних.

Эндокринные механизмы гомеостаза по Б. М. Завадскому, это — ме-

ханизм плюс-минус взаимодействия, т. е. уравновешивание функциональ-

ной активности железы с концентрацией гормона. При высокой концен-

трации гормона (выше нормы) деятельность железы ослабляется и наобо-

рот. Такое влияние осуществляется путем действия гормона на продуци-

рующую его железу. У ряда желез регуляция устанавливается через гипо-

таламус и переднюю долю гипофиза, особенно при стресс-реакции.

Эндокринные железы можно разделить на 2 группы по отношению

их к передней доле гипофиза. Последняя считается центральной, а прочие

эндокринные железы — периферическими. Это разделение основано на том,

что передняя доля гипофиза продуцирует так называемые тропные гормоны,

которые активируют некоторые периферические эндокринные железы. В

свою очередь, гормоны периферических эндокринных желез действуют на

переднюю долю гипофиза, угнетая секрецию тропных гормонов.

Реакции, обеспечивающие гомеостаз, не могут ограничиваться какой-

либо одной эндокринной железой, а захватывает в той или иной степени

все железы. Возникающая реакция приобретает цепное течение и распро-

страняется на другие эффекторы. Физиологическое значение гормонов за-

ключается в регуляции других функций организма, а потому цепной ха-

рактер должен быть выражен максимально.

135

Постоянные нарушения среды организма способствуют сохранению

его гомеостаза в течение длительной жизни. Если создать такие условия

жизни, при которых ничто не вызывает существенных сдвигов внутренней

среды, то организм окажется полностью безоружен при встрече с окру-

жающей средой и вскоре погибает.

Объединение в гипоталамусе нервных и эндокринных механизмов ре-

гуляции позволяет осуществлять сложные гомеостатические реакции, свя-

занные с регуляцией висцеральной функции организма. Нервная и эндок-

ринная системы являются объединяющим механизмом гомеостаза.

Примером общей ответной реакции нервных и гуморальных механиз-

мов является состояние стресса, которое развивается при неблагоприятных

жизненных условиях и возникает угроза нарушения гомеостаза. При стрес-

се наблюдается изменение состояния большинства систем: мышечной, ды-

хательной, сердечно-сосудистой, пищеварительной, органов чувств, кровя-

ного давления, состава крови. Все эти изменения являются проявлением от-

дельных гомеостатических реакций, направленных на повышение сопро-

тивляемости организма к неблагоприятным факторам. Быстрая мобилизация

сил организма выступает как защитная реакция на состояние стресса.

При «соматическом стрессе» решается задача повышения общей со-

противляемости организма по схеме, приведенной на рисунке 13.

Раздражитель

Гормоны

гипоталамуса

Передняя доля гипофиза,

усиление образования

тропных гормонов

Стимуляция активности

перефирических

эндокринных желез

Изменение функционального

состояния клеток органов

и повышение защитных

свойств организма

Рисунок 13 — Схема повышения общей сопротивляемости организма

при «соматическом стрессе»

В случае «психического стресса» при болевом и эмоциональном воз-

действии включаются дополнительно функциональные изменения состоя-

ния коры больших полушарий, лимбической системы головного мозга,

симпатической нервной системы, клеток мозгового слоя надпочечников,

что завершается выбросом в кровь адреналина.

Гомеостатические механизмы, активные в состоянии стресса, способ-

ны противостоять неблагоприятным условиям до определенного предела.

В развитии стресс-реакции различают 3 стадии:

1) мобилизация защитных механизмов или тревоги;

2) повышение сопротивляемости организма;

3) истощение защитных механизмов.

136

Первые 2 — соответствуют сохранению гомеостаза, третья наступает

при чрезмерных воздействиях и приводит к срыву механизмов гомеостаза.