Arg pro pro gly phe ser pro phe arg. 5 страница
Представляется, однако, что это было бы слишком простым объяснением. Метаболические расстройства при диабете носят весьма разнообразный характер. Хотя возможно, конечно, объяснить все это многообразие нарушением протекания одной единственной реакции (тоже включенной в сеть метаболических превращений), выведя все связанные с диабетом расстройства здоровья из одной гексокиназной реакции, но это требует таких сложных рассуждений видно, что доверие к ним уменьшается по мере возрастания их сложности. Последние исследования позволяют предположить, что инсулин оказывает свое действие непосредственно на клеточные мембраны. Скорость, с какой клетка поглощает глюкозу, отчасти зависит и от разницы концентраций глюкозы внутри и вне клетки, а также от природы клеточных мембран, через которые должна пройти глюкоза.
Давайте для наглядности прибегнем к аналогии. Представьте себе дом. С улицы в него входят люди. Отчасти количество вошедших в дом людей будет зависеть от числа людей, стремящихся в него попасть. Кроме того, этот поток зависит от ширины входной двери или от количества открытых дверей. Когда толпа людей, жаждущих попасть внутрь, достигнет определенного критического уровня, количество тех, кто попадает в дом за одну секунду, станет постоянным, вне зависимости от размеров толпы. Однако если привратник быстро откроет еще две двери, то поток увеличится в три раза.
|
|
|
Инсулин по отношению к мембранам мышечных клеток ведет себя как привратник, повышая проницаемость мембран для глюкозы. (То есть он как бы открывает для нее дополнительные двери.) Мы остановились на том, что во время еды в кровь поступает большое количество глюкозы, что приводит к повышению секреции инсулина в поджелудочной железе. Как следствие, открываются «мембранные двери», и концентрация глюкозы в крови стремительно падает, так как она быстро уходит в клетки, где либо утилизируется, либо запасается. При диабете глюкоза изо всех сил стучится в двери мембран, но они оказываются по большей части запертыми. Глюкоза не может войти в клетки и, следовательно, накапливается в крови. Очевидно, что любой фактор, который позволит глюкозе войти в клетки, сможет отчасти заменить собой недостающий инсулин. Один из таких факторов - физическая нагрузка, поэтому врачи, как правило, рекомендуют диабетикам регулярно заниматься физическими упражнениями.
Но в этом случае неизбежно возникает вопрос: что особенного делает инсулин в клетке, отчего повышается проницаемость ее мембраны для глюкозы? Биохимики потратили много усилий для расшифровки строения молекулы инсулина именно в надежде (отчасти, правда, из элементарного любопытства) понять механизм его действия.
|
|
|
Молекула инсулина представляет собой полипептид, подобный молекулам желудочно-кишечных гормонов, но более сложный. Например, молекула секретина состоит из 36 аминокислотных остатков, а молекула инсулина - из 50. Поскольку, однако, структура секретина до сих пор точно не установлена, резонно предположить, что точное строение молекулы инсулина тоже пока не известно. Но надо учесть, что стремление разрешить проблему в случае инсулина, недостаток которого лежит в основе самой серьезной метаболической болезни, намного превышает стремление установить структуру гастроинтестинальных гормонов, которые не имеют такого клинического значения. Кроме того, инсулин доступен для биохимических исследований в гораздо больших количествах.
В конце 40-х годов было установлено, что молекулярный вес инсулина немногим меньше 6000. (Молекулы инсулина имеют склонность объединяться в группы, поэтому в некоторых ранних сообщениях указывалось, что его молекулярный вес равен 12 и даже 36 тысячам дальтон.) Далее, было установлено, что молекулы инсулина состоят из двух аминокислотных цепей, соединенных между собой цистшювыми мостиками. Когда цепи были разделены, выяснилось, что одна из них (цепь А) состоит из 21, а другая (цепь В) из 30 аминокислотных остатков.
|
|
|
Полипептидные цепи были легко расщеплены на индивидуальные аминокислоты, и биохимики установили, из каких именно аминокислот состоит каждая из цепей. (Определение аминокислотного состава было выполнено методом, который называется бумажной хроматографией. Метод был изобретен в 1944 году и произвел подлинную революцию в биохимии. Если вас интересуют подробности этого метода, то вы можете найти их в главе «Победа на бумаге» моей книги «Всего триллион», вышедшей в 1957 году.) Но, как я уже заметил в предыдущей главе, знание аминокислотного состава - это лишь первый шаг. Надо также знать последовательность, в какой расположены в цепи белка аминокислотные остатки. Двадцать одну аминокислоту в цепи А инсулина можно расположить 2 800 000 000 000 000 способами. Для 30 аминокислотных остатков цепи. В это число еще больше и равно приблизительно 510 000 000 000 000 000 000 000 000.
Проблему определения точной последовательности аминокислот в бычьем инсулине взялась решать группа биохимиков под руководством британского ученого Фредерика Сенджера. Для этого использовали метод расщепления цепей на мелкие фрагменты под действием кислот или специфических ферментов. Полученные фрагменты не были аминокислотами, а представляли собой короткие цепи из двух, трех или четырех аминокислотных остатков.. Эти фрагменты были выделены, и ученые определили в них точную последовательность аминокислот. (Две аминокислоты могут быть расположены двумя способами - А-В или В-А. Три аминокислоты могут быть расположены шестью способами - А-В-С, А-С-В, В-С-А, В-А-С, С-А-В и С-В-А. Даже четыре аминокислоты можно расположить всего лишь двадцатью четырьмя способами. Можно проанализировать все возможные последовательности в малых фрагментах и выбрать правильный, не столкнувшись с непреодолимыми трудностями. По крайней мере, гораздо легче иметь дело с двумя возможностями из пары десятков, чем с двумя из пары квинтильонов возможных вариантов.)
|
|
|
Когда, таким образом, были обработаны все малые фрагменты, наступило время собрать их воедино. Предположим, что цепь А имеет в своем составе некую аминокислоту, которую мы обозначим q , в единственном числе. Предположим далее, что нам удалось выделить две короткие цепочки по три аминокислоты в каждом - r - s - q и q - p - o . Поскольку в цепи аминокислота q присутствует только в одном экземпляре, то в исходной молекуле должна присутствовать последовательность из пяти аминокислотных остатков r - s - q - p - o . Тогда, в зависимости от места расщепления исходной цепи, действительно получится два возможных фрагмента - r - s - q и q - p - o .
Для решения этой головоломки Сэнджеру и его коллегам потребовалось восемь лет. К 1955 году им удалось подогнать друг к другу полученные фрагменты и получить структуру нативной белковой молекулы. В истории науки это был первый случай, когда ученым удалось полностью определить структуру естественной белковой молекулы. В 1958 году Сэнджер был удостоен Нобелевской премии по химии.
Формула молекулы инсулина в записи символами Бранда выглядит следующим образом:
Бычий инсулин
К сожалению, знание структуры молекулы ни на йоту не приблизило биохимиков к пониманию механизма действия инсулина на клеточные мембраны.
Представлялось возможным подойти к проблеме с другого конца и попытаться сравнить структуру инсулинов разных видов животных. Свиной инсулин так же эффективен у диабетиков, как и бычий. Если два инсулина отличаются своим строением, то, видимо, следует обратить пристальное внимание лишь па тот участок молекулы, который обеспечивает общие свойства, сузив тем самым поле поиска. Когда был проанализирован свиной инсулин, выяснилось, что он отличается от бычьего тремя аминокислотными остатками, выделенными в приведенной формуле курсивом. Эти три аминокислоты, если можно так выразиться, зажаты в углу между двумя цистиновыми мостиками.
В бычьем инсулине в этом месте находятся ала-нин-серин-валин, а в свином - треонин-серин-изо-лейцин. Состав этого и только этого участка варьирует у других видов животных. У овец в данном участке находятся аланин-глицин-валин, у лошадей - треонин-глицин-изолейнин, а у китов - треонин-серин-изолейцин. У этих трех видов аминокислота слева может быть аланином или треонином, в середине - серином или глицином, и справа - валином или изолейцином.
Хотя аминокислотный состав инсулина множества других видов животных пока не определен, представляется маловероятным, что отличия окажутся разительными. Более того, любые изменения химической структуры, кроме самых незначительных, приводит к утрате биологической активности молекулы инсулина. Каким бы ни было действие, оказываемое инсулином на клеточную мембрану, для его осуществления требуется участие целой интактной молекулы. Это почти все, что можно на сегодняшний день об этом сказать, по крайней мере пока.
ГЛЮКАГОН
Если есть гормон, проявляющий какое-то однонаправленное действие, как, например, инсулин, вызывающий снижение содержания глюкозы в крови, то разумно предположить, что может существовать гормон, вызывающий противоположный эффект. Это не простое ослабление действия первого гормона, а именно противоположный эффект, с помощью которого можно топко и точно регулировать концентрацию сахара в крови, сдвигая его содержание в ту или другую сторону. Вы сами можете убедиться в этом, если представите себе качающуюся лестницу, которую надо установить в устойчивое положение. Это очень удобно сделать двумя руками, надавливая на лестницу с обеих сторон в противоположных направлениях.
Такой гормон-антагонист действительно существует, и синтезируется он все в тех же островках Лангерганса. Об этом гормоне мало кто знает, потому что с ним не связаны какие-либо распространенные заболевания, сравнимые по значению с сахарным диабетом.
Островки Лангерганса содержат две разновидности клеток - альфа-клетки и бета-клетки. (Ученые часто, пожалуй даже слишком часто, идут по пути наименьшего сопротивления, различая однородные элементы присвоением им первых нескольких букв греческого алфавита.) Альфа-клетки крупнее и расположены на периферии островков, составляя около 25% его клеточной массы. В центре островков расположены более мелкие бета-клетки. В бета-клетках синтезируется инсулин, альфа-клетки продуцируют гормон с противоположным действием.
Этот второй гормон был обнаружен вскоре после открытия Бантингом инсулина. Выяснилось, что иногда при введении инсулина вначале отмечался подъем содержания глюкозы в крови, а потом начиналось ожидаемое снижение ее концентрации. Надо было, следовательно, найти вещество, проявлявший нежелательный эффект. Таким образом, был найден гормон, ускорявший расщепление гликогена в печени. Гликоген расщепляется до глюкозы, которая поступает в кровеносное русло. В результате и происходит повышение концентрации глюкозы в крови.
Когда присутствие гормона подтверждается только его аффектом, то его во многих случаях и называют по этому эффекту. Новый гормон из этих соображений был назван гипергликемическим гликогенолитическим фактором, что в переводе с греческого означает «повышающий содержание глюкозы в крови и расщепляющий гликоген». Так как биохимики тоже люди и не любят длинных слов, то вновь открытый фактор стали называть ГГФ, а недавно придумали более короткое наименование - глюкагон, которое и стало общеупотребительным.
В 1953 году очищенный глюкагон был выделен в кристаллической форме. Удалось без труда показать, что это полипептид, состоящий из единственной цепи, содержащей 29 аминокислотных остатков. Сначала думали, что глюкагон - это фрагмент молекулы инсулина, но при более внимательном рассмотрении оказалось, что это не так. В 1958 году методом Сэнджера была установлена последовательность аминокислот в глюкагоне. Гистидин-серни-глютамин-глицин-треопин-фе-нилаланип-треонип-серин-яспарагинат-тирозин-серии-лизин-тирозин-лейцин-аспарагинат-серин-аргинип-аргинин-аланин-глютамин-аспарагинат-фепилдаланип-глютамип-гриптофан-лейцин-метионин-аспарагин-треонин.
Как вы можете сами убедиться, эта цепь не имеет ничего общего ни с одной из цепей инсулина. Действительно, некоторые аминокислоты, представленные в молекуле глюкагона, отсутствуют в инсулине (например, метионин), а другие аминокислоты (например, изолейцин) присутствуют в инсулине, но отсутствуют в глюкагоне. Нет никаких сомнений в том, что инсулин и глюкагон - это два совершенно разных гормона.
АДРЕНАЛИН
Инсулин и глюкагон ни в коем случае не являются единственными гормонами, регулирующими обмен глюкозы, что проявляется повышением или снижением ее концентрации в крови. Есть еще один гормон, влияющий на метаболизм глюкозы. Этот гормон вырабатывается двумя маленькими, желтоватого цвета органами, имеющими пирамидальную форму и вес около 10 г каждый. Эти образования прилегают к верхним полюсам обеих почек и являются первыми из упомянутых мной органов, которые выполняют в организме чисто эндокринные функции.
В связи со своим положением эти органы называются надпочечными железами, или надпочечниками. Каждый надпочечник состоит из двух частей - внешней и внутренней, которые имеют раз личный клеточный состав, функцию и происхождение. У примитивных рыб две части надпочечной железы вообще представлены разными органами, Те клетки, которые у нас образуют наружную часть железы, у рыб формируют продольный тяж, расположенный между почками и приблизительно равный им по длине. Те же клетки, которые у нас образуют внутреннюю часть железы, формируют тонкую цепь, вдвое превышающую по длине почку у земноводных, пресмыкающихся и птиц материал железы расположен более компактно, и оба вида клеток расположены вперемежку. У млекопитающих эта компактность достигает своего предельного выражения - формируются два четко очерченных плотно прилегающих друг к другу слоя клеток.
Внешняя часть железы, составляющая около 90 % ее веса, называется корой надпочечника. Внутренняя часть носит название мозгового вещества (не аналогии с костным мозгом). Гормон, который Mi сейчас обсуждаем, вырабатывается в мозговом веществе надпочечника.
Еще в 1895 году стало известно, что экстракта надпочечников резко повышают артериальное давление. В 1901 году японский биохимик Иокичи Такамине выделил из ткани железы чистое вещество, которое в ничтожных дозах приводило к значительному повышению артериального давления. Это вещество получило название адреналин - oт латинских слов ad («у») и ren («почка»). Однако это только одно из множества его коммерческих наименований. Правильнее называть это веществ! эпинефрином - от греческих слов epi («над») nephron («почка»).
Через год после успеха Такамине Бэйлис и Старлинг продемонстрировали возможность чисто химической регуляции функций организма при отсутствии нервной деятельности. Когда это стало ясно, то отпали последние сомнения - эпинефрин был признан гормоном. Это был первый гормон, который удалось выделить в чистом виде и у которого была определена химическая формула. Это достижение было не столь значительным, как могло бы показаться на первый взгляд, так как из всех гормонов эпинефрин имеет самое простое строение.
В то время как секретин, инсулин и глюкагон являются полипептидными цепями, состоящими из нескольких десятков аминокислот, эпинефрин, по сути своей, представляет собой несколько видоизмененную единственную аминокислоту - тирозин. Это очень ясно видно при сравнении их химических формул. Вы увидите это сходство, даже если вы незнакомы с химической символикой и не понимаете, из каких функциональных групп состоят эти молекулы:
Биохимикам не составило особого труда установить, что в мозговом веществе надпочечников эпинефрин вырабатывается именно из тирозина.
В том, что касается воздействия на метаболизм углеводов, эффект эпинефрина напоминает таковой глюкагона, под действием эпинефрина ускоряется расщепление гликогена, вследствие чего происходит повышение содержания глюкозы в крови. Разница заключается в следующем: глюкагон работает и обычных условиях, а эпинефрин в экстремальных ситуациях. Можно сказать, что глюкагон поддерживает более или менее стабильный уровень концепт рации глюкозы в крови (противодействуя эффекта» инсулина) в условиях нормальных колебаний доставки и потребления глюкозы. Напротив, эпинефрин вступает в игру, когда человек испытывает гнев или страх, когда организму требуется сразу много глюкозы, чтобы обеспечить энергетические потребность для осуществления реакции борьбы или бегства.
Кроме того, в то время как глюкагон мобилизует только печеночные запасы гликогена (предназначенные для использования всем организмом), эпинефрин также способствует расщеплению гликогена мышцах, которые сами используют эту энергию для борьбы или бегства.
Эпинефрин оказывает на организм и другие эффекты, кроме мобилизации резервов глюкозы. Одним из важнейших эффектов эпинефрина является его способность повышать артериальное давление (именно благодаря этой способности он был открыт) и увеличивать частоту сердечных сокращений и дыхания. Два последних эффекта осуществляются в тесном взаимодействии с нервной системой, о чем более подробно расскажу в главе 9. Хочу, однако, отметить, что химическая (гормоны) и электрическая (нервы) регуляция функций организма не являются независимыми, но тесно переплетаются одна с другой.
Между прочим, ситуация, когда единственна модифицированная аминокислота выступает в роля гормона, не исчерпывается рассмотренным случаем. В качестве примера можно привести вещество, называемое гистамином. Это соединение по структуре сходно с аминокислотой гистидином, что показывает приведенная на рисунке формула.
В малых концентрациях гистамин стимулирует секрецию соляной кислоты железами слизистой оболочки желудка. Некоторые биохимики считают, что гастрин (один из гастроинтестинальных гормонов, упомянутых в предыдущей главе) является гистамином. Впрочем, окончательного ответа на этот вопрос до сих пор нет.
Так же как и эпинефрин, гистамин действует на артериальное давление и на другие физиологические параметры организма. (Кинины по своему действию в чем-то сходны с гистамином.) Считается, что гистамин несет ответственность за такие неприятные симптомы аллергии, как насморк, набухание слизистой оболочки носа и глотки и спазм мелких бронхов. Очевидно, чужеродные белки или другие вещества, запускающие аллергическую реакцию, стимулируют высвобождение гистамина. Лекарства, которые противодействуют этой стимуляции (антигистаминные препараты), существенно облегчают симптомы аллергии.
Глава 3
ЩИТОВИДНАЯ ЖЕЛЕЗА
ЙОД
Есть еще один гормон, представляющий собой модифицированную аминокислоту. Правда, если строение немного сложнее, чем строение эпинефрина или гистамина. Для того чтобы сохранить ясность изложения, я начну с представления нового органа. Хрящ, выступающий на передней поверхности шеи, именуемый в пароде адамовым яблоком, правильнее называть щитовидным хрящом. Щитовидным его называют потому, что своей удлиненной формой и вырезкой в верхней части он напоминает щиты, которыми пользовались в бою греческие воины гомеровских времен (кстати, у этих щитов в верхнем крае были вырезки для подбородка). Вы и сами можете прощупать эту вырезку, если проведете пальцами по своей шее.
У нижнего края щитовидного хряща располагается скопление мягкой желтовато-красной железистой ткани высотой в два дюйма, шириной чуть больше двух дюймов и весом в унцию или немного меньше. Это скопление состоит из двух долей, расположенных симметрично с обеих сторон трахеи и соединенных узким перешейком, расположенным впереди трахеи как раз в месте соединения ее со щитовидным хрящом. При взгляде спереди эта железа похожа на букву «Н». Несколько столетий назад железа позаимствовала свое название от хряща, который она обнимает, и стала именоваться щитовидной железой, хотя сама она нисколько не похожа на щит.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 43; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!