СТРУКТУРА ИНСУЛИНА

Очень легко наблюдать, как инсулин снижает уровень глюкозы в крови. Сам же этот уровень достигается в результате сложного переплетения множества биохимических реакций. Каким образом инсулин так действует на эти реакции, что происходит снижение концентрации сахара в крови? Действует ли он только на одну реакцию, на несколько или на все сразу?

В поисках ответа на этот вопрос биохимики в первую очередь заподозрили одну реакцию, катализируемую ферментом, называемым гексокиназой. Это подозрение явилось результатом работ, выполненных супругами-американцами чешского происхождения, Карлом Фердинандом Кори и Герти Терезой Кори, которым удалось выяснить некоторые детали различных реакций, вовлеченных в расщепление глюкозы. За эти работы супруги Кори получили в 1947 году Нобелевскую премию по медицине и физиологии. Супруги Кори выяснили, что в обычных условиях гексокиназная реакция подавлена, и это подавление снимается под действием инсулина. Они смогли показать, каким образом одна эта реакция отвечает за снижение концентрации глюкозы в крови.

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.

Функция щитовидной железы оставалась неизвестной вплоть до самого конца XIX века. Было замечено, что у женщин она, как правило, выступает больше, чем у мужчин, па основании чего бытовало мнение, что щитовидная железа - это всего лишь средство придания формы шее, особенно женской, которую небольшой зоб делает изящной и привлекательной. В некоторых областях Европы щитовидная железа у многих людей (опять-таки больше у женщин) отличалась большим размером, и эта припухлость шеи расценивалась как признак утонченной красоты. Увеличенную щитовидную железу называют зобом.

Косметические достоинства зоба утратили свою привлекательность к началу XIX века, когда люди поняли, что безобидная с виду припухлость на шее может сочетаться с весьма неприятными симптомами. Обескураживало то обстоятельство, что люди с зобами могли страдать двумя исключающими друг друга типами заболеваний. Некоторые индивиды были вялыми, заторможенными и апатичными, их подкожная клетчатка отличалась мягкостью и отечностью, кожа становилась холодной и сухой, а пульс замедленным и редким. Другие больные, напротив, отличались повышенной возбудимостью, нервностью, неустойчивым поведением, горячей влажной кожей и частым пульсом. И наконец, как вы и сами, должно быть, уже догадались, были люди, у которых зоб не сопровождался никакими симптомами и которые в остальном ничем не отличались от здоровых людей, не предъявляя никаких жалоб.

То, что сочетание увеличенной щитовидной железы и по меньшей мере одного из упомянутых выше набора симптомов не является случайным совпадением, было отчетливо продемонстрировано в 1883 году, когда группа швейцарских хирургов удалила зобы сорока шести больным, у которых зоб достиг таких размеров, что начал сдавливать окружающие ткани шеи. (Надо отметить, что Швейцария - одна из стран, где зоб является весьма распространенным заболеванием.) К несчастью, у всех этих больных возникли или усилились симптомы первого рода, то есть заторможенность, вялость и апатия. Оказалось, что полное удаление щитовидной железы представляет опасность для пациента.

В 1898 году германский химик Э. Бауман обнаружил в щитовидной железе йод. Его оказалось немного. Даже самый современный анализ содержания этого элемента в щитовидной железе показывает, что этот орган содержит не более 8 мг йода. Но это количество в четыре раза превышает общее количество йода во всех остальных тканях и органах. Однако вес остальной части тела во много раз превышает вес щитовидной железы, поэтому резонно было предположить, что такое распределение не случайно. Действительно, было показано, что концентрация йода в щитовидной железе в 60 000 раз превышает его концентрацию в других частях тела.

Определенно, что сейчас это звучит очень внушительно, но в 1896 году никто так не думал. Никому не приходило в голову искать йод в тканях организма, и находку сочли случайной. То, что йод в щитовидной железе находился в ничтожных количествах, казалось, лишь подтверждало эту мысль, тем более что в 1896 году никто еще не знал, что существуют «жизненно важные следовые элементы», входящие в состав гормонов и ферментов следовательно, необходимые для нормальной жизнедеятельности и поддержания жизни, несмотря на то что в организме они содержатся в едва определимых концентрациях.

Прошло еще десять лет, и в 1905 году Дэви; Марин, американский врач, только что закончивший к тому времени медицинский факультет, всерьез воспринял открытие Баумана. Марин начал практиковать на Среднем Западе, куда приехал; Востока, и заинтересовался вопросом, не связали повышенная заболеваемость зобом на Среднем Западе с пониженным содержанием йода в местных почвах¹. Может быть, думал Марин, йод все не случайная примесь, а необходимая составная часть щитовидной железы, без которой от не может нормально функционировать и реагирует на недостаток йода образованием зоба.

¹ Йод - довольно редкий элемент, в морской воде его содержание выше, чем в почве. Главным источником йода являются водоросли, так как эти растения активно захватывают йод из воды. На сушу йод попадает во время штормов, когда ветер приносит на побережье брызги воды, которая, испаряясь оставляет на земле мельчайшие крупинки йодистых солей. Эти соли ветры потом уносят во внутренние участки суши. Морская соль содержит йод, и при прочих равных условиях его содержание в прибрежных почвах будет выше, чем в почвах областей, удаленных от моря.

Марин провел опыты на животных, скармливая им рацион, не содержавший йода, и показал; что у животных увеличивалась щитовидная железа, они становились вялыми и апатичными. После добавления к корму небольших количеств йода ступало выздоровление. В 1916 году, будучи уверенным в своей правоте, Марин провел пробное лечение девочек, страдавших зобом. Врачу удалось показать, что добавление к пище следовых количеств йода уменьшает заболеваемость людей зобом.

Еще десять лет прошло в спорах с людьми. Марин пытался убедить их в необходимости добавлять небольшие количества йодистых соединений в воду городского водопровода и в поваренную соль. Возражения были столь же яростными, как и возражения против фторирования воды в наши дни. Тем не менее, Марин победил, воду и соль стали йодировать, и в настоящее время - по крайней мере, в Соединенных Штатах - зоб стал редким заболеванием.

Симптомы, сочетающиеся с зобом, зависят от того, развился он вследствие недостатка йода или нет. Щитовидная железа состоит из миллионов мельчайших пузырьков - фолликулов, наполненных коллоидным (желеобразным) веществом, которое для простоты называют просто коллоидом. Коллоид, как и гормон, который в нем образуется, содержит йод.

Если поступление йода в организм находится на нормальном уровне и если по каким-то причинам щитовидная железа увеличивается в размере, то число активных фолликулов может возрасти в десять, а то и в двадцать раз, и железа начинает продуцировать ненормально высокие количества гормона. Человек становится нервным, легковозбудимым и напряженным. Такое состояние называется гипертиреозом. Если, напротив, в организм поступает мало йода, то возникает его дефицит, то есть недостаток, и, чтобы компенсировать его, щитовидная железа увеличивается в размерах. Но напрасны усилия, это увеличение не приводит к излечению. Не важно, сколько новых фолликулов возникнет в железе и сколько коллоида в них накопится - тиреоидный гормон не может синтезироваться без йода. В таких случаях, несмотря на формирование зоба, выработка гормона остается на низком уровне и больной становится вялым, апатичным и малоподвижным. Такое состояние называется гипотиреозом¹.

¹ Префикс «гипер» происходит от греческого слова, означающего «сверх», а «гипо» - от греческого слова, означающего «ниже». Первый префикс указывает на повышенную активность какого-либо органа или на повышенную продукцию какого-либо биологически активного соединения. Второй префикс указывает на противоположное состояние, то есть состояние какой-либо недостаточности. Очень жаль, что слова, обозначающие противоположные состояния, звучат так похоже, Это иногда приводит к путанице, но уже поздно менять правила древнегреческого языка.

Эти две формы зоба различаются и названиями Форма, связанная с гипотиреозом, называется эндемическим зобом. Форма, связанная с гипертиреозом, называется экзофтальмическим зобом (экзофтальм в переводе с греческого означает «пучеглазие»), потому что самым заметным симптомом такого зоба является выпячивание глазных яблок. Это заболевание называют также болезнью Грейвса в честь описавшего ее в 1835 году ирландского врача Роберта Джеймса Грейвса. При гипотиреозе дряблый отек тканей создает впечатление, что они пропитываются слизью, поэтому эту болезнь называют микседемой, что в переводе с греческого означает «слизистый отек».

Симптомы как гипо-, так и гипертиреоза могут иметь различную степень выраженности. Рациональный способ определения выраженности симитоматики того или иного заболевания щитовидной железы предложил в 1895 году германский врач Адольф Магнус-Леви. Его открытие произошло от части благодаря случаю. В то время физиологи разработали метод измерения потребления кислорода организмом человека. Представлялось, что на основании этого критерия можно судить об интенсивности обменных процессов. Естественно, потребление кислорода увеличивалось при физической нагрузке и уменьшалось в покое. Минимальную потребность в кислороде определяли у бодрствующих людей, находившихся в лежачем положении в теплой комнате в состоянии максимально возможного расслабления натощак. Уровень обмена веществ в таком состоянии назвали основным обменом, сокращенно ОО. Основной обмен - это тот уровень метаболизма, при котором человеческий организм работает, так сказать, на «холостых оборотах».

Магиус-Леви принялся измерять ОО у всех больных в госпитале, где он работал, чтобы посмотреть, как различные заболевания влияют на этот показатель. Очевидно, что если бы такое влияние действительно имело место, то определение ОО могло бы стать ценным диагностическим инструментом в наблюдении за течением болезней. К несчастью, большинство болезней никак не влияло на ОО, за одним важным исключением. Больные гипертиреозом отличались значительно повышенным ОО, а больные гипотиреозом - наоборот, сниженным. Чем тяжелее протекало соответствующее заболевание, тем выше (или, напротив, ниже) был ОО.

Таким образом, было выявлено общее воздействие тиреоидного гормона на организм. Этот гормон управляет уровнем основного обмена, то есть регулирует скорость «холостых оборотов». При гипертиреозе, употребляя автомобильную метафору, двигатель организма работает на повышенных оборотах, а при гипотиреозе - на пониженных. Такой подход позволял объяснить два диаметрально противоположных ряда симптомов. Если в организме ускорены все биохимические реакции, то человек, скорее всего, будет нервным, напряженным, излишне подвижным и легковозбудимым. Если же реакции замедленны, то человек будет вялым, заторможенным и апатичным.

ТИРОКСИН

Поиск настоящего гормона щитовидной железы начался сразу после того, как ученые осознали важность йода для нормальной деятельности щитовидной железы. В 1899 году из железы был выделен белок, содержащий йод. Этот белок имел свойства, присущие семейству белков, называемых глобулинами, и был поэтому назван тиреоглобулином. Этот белок мог уменьшать выраженность симптомов гипотиреоза в меньших дозах, чем высушенная измельченная ткань целой щитовидной железы, поэтому разумно было предположить, что этот белок и является гормоном.

Однако тиреоглобулин - это крупный белок, и, как мы сейчас знаем, его молекулярный вес равен почти 700 000. Он слишком велик, чтобы в исходном виде проникнуть сквозь мембрану клетки, где он образовался, и выйти в кровеносное русло. По этой причине вскоре стало ясно, что тиреоглобулин - это хранилище гормона, а то соединение, которое выходит в кровоток, представляет собой лишь мелкий фрагмент молекулы тиреоглобулина.

Йод привлекал все большее внимание биохимиков по мере того, как они углублялись в проблему. Хотя щитовидная железа, по сравнению с остальными частями тела, содержит много йода, его содержание в ней равно приблизительно 0,03%. Изолированный тиреоглобулин содержит в 30 раз больше йода, содержание которого в нем доходит до 1%. Более того, после расщепления тиреоглобулина на более мелкие фрагменты выяснилось, что те осколки молекул, в которых остается йод, содержат его в концентрации 14%. Ясно, что ключом к разгадке был йод. Оказалось, что можно добавить йод к обычному белку, например к казеину (основному белку молока), приготовив, таким образом, йодированный белок, который также в какой-то степени проявлял свойства тиреоидного гормона.

Наконец, в 1915 году американский химик Эдвард Кальвин Кендалл выделил мелкую молекулу, обладавшую всеми свойствами тиреоидного гормона, и получил его в концентрированной форме. Оказалось, что молекула гормона представляет собой единственную аминокислоту. Поскольку это соединение было найдено в щитовидной железе и поскольку оно контролировало потребление кислорода организмом, это соединение было названо тироксином.

Еще десять лет ушло на выяснение точной химической формулы этой аминокислоты. Оказалось, что она похожа на тирозин, отличаясь от него двумя боковыми цепями, что ясно видно на приведенных ниже формулах.

Самым необычным в структуре молекулы тироксина является тот факт, что она содержит четыре атжа йода, обозначенного в формулах символом I. (Если из молекулы тироксина удалить йод, то останется соединение, называемое тиронином.)

Атомы йода чрезвычайно тяжелы, они намного тяжелее, чем весь углерод, водород, азот и кислород, входящие в состав молекулы. (Из всех атомов, необходимых для поддержания жизни, самыми тяжелыми являются атомы йода. Четыре самых распространенных в организме элемента отличаются весьма малым атомным весом. Так, если вес атома водорода принять за единицу, то веса атомов углерода, азота и кислорода будут равны 12, № и 16 соответственно. Для сравнения укажем, что атомный вес йода равен 127 Дa). По этой причине йод составляет 83% веса молекулы тироксина.

Очевидно, щитовидная железа захватывает те следовые количества йода, которые содержатся в пище, присоединяет его атомы к молекуле тирозина, удваивает ядро молекулы и после добавления еще двух атомов йода превращает ее в тироксин, (То же самое можно сделать искусственно, добавив йод к казеину, о чем я уже упоминал выше.) Тироксин, присоединяясь к другим, обычным аминокислотам, включается в крупную молекулу тиреоглобулина. При необходимости молекула тироксина отщепляется от тиреоглобулина и поступает в кровеносное русло.

В течение тридцати пяти лет после этого открытия именно тироксин считался тиреоидиым гормоном. Только в 1951 году британскому биохимику Розалинд Питт-Риверс и ее коллегам удалось выделить в чистом виде похожее на тироксин соединение, в котором вместо четырех атомов йода присутствуют только три. Это соединение, названное трийодтиронином, оказалось намного более активным, чем тироксин. По этой причине впредь я буду употреблять термин «тиреоидный гормон», не конкретизируя его точное химическое название.

При тяжелом дефиците тиреоидного гормона основной обмен может снизиться до половины своего нормального уровня, а при избытке повыситься в два и даже в два с половиной раза. Таким образом, под действием гормонов щитовидной железы уровень метаболизма может пятикратно изменяться в обоих направлениях.

Однако что именно делают тироксин, трийодтиронин и родственные им соединения, чтобы произвести такие поистине драматические изменения? Какую реакцию или какие реакции они стимулируют, чтобы повысить уровень обмена веществ? Какую роль играет в этом процессе йод? Возможно, это самый завораживающий вопрос, поскольку ни одно соединение, не содержащее йод, не обладает активностью тиреоидпого гормона. Более того, ни в одном из соединений, присутствующих в пашем организме, за исключением различных форм тирсоидного гормона, нет атомов йода.

Вас уже не должен удивлять тот факт, что ответов на эти вопросы до сих пор нет. Ответ, когда мы его получим, должен будет объяснить не только повышение уровня основного обмена, поскольку это ни в коем случае не является единственным эффектом тиреоидных гормонов. Они играют большую роль в процессах роста, психического развития и полового созревания.

Иногда случается так, что дети рождаются с недоразвитой щитовидной железой (или она совершенно отсутствует). Такие дети выживают, по это единственное, что можно о них сказать. Если болезнь не лечить введением тиреоидных гормонов, то больные перестают расти в возрасте семи-восьми лет. Они, кроме того, не достигают половой зрелости и страдают задержкой психического развития. Часто они бывают глухонемыми. (Всю эту симптоматику можно воспроизвести, удалив щитовидную железу у молодых животных. Более того, именно благодаря таким опытам было установлено, что эти симптомы связаны с недостаточностью функции щитовидной железы.)

Несчастных, лишенных, по сути дела, щитовидной железы, называют кретинами. Слово происходит из южнофранцузского диалекта и означает «христианин». Здесь нет следов нападок на религию, скорее это выражение жалости. Вместо этого, мы могли бы назвать их беднягами. Возможно, в этом названии отразились пережитки более ранних времен, когда примитивные племена считали, что умственная отсталость говорит о том, что страдальца коснулась рука Божья. (Разве мы сами не называем иногда сумасшедшего «тронутым умом»?)

Неспособность детей, страдающих гипотиреозом, развиться до взрослого состояния подтверждается свидетельствами, полученными на низших позвоночных. У амфибий переход от юного состояния к взрослому представляет собой полный метаморфоз,» ходе которого хвост заменяется конечностями, а жабры - легкими. Этот метаморфоз не может остановиться на полпути у живого головастика. Он либо проходит все стадии, либо не начинается вовсе.

Если у головастика удалить тиреоидную ткань, то метаморфоз не начинается. Животные растут, но остаются головастиками. Если же в воду, где они обитают, добавить экстракт щитовидной железы, то головастики превращаются в лягушек. Более того, если добавить экстракт в воду, где находятся юные головастики, у которых еще нет собственных тиреоидных гормонов, то процесс метаморфоза происходит. Из таких головастиков получаются маленькие лягушки, намного меньшие, чем особи, претерпевшие метаморфоз в обычных условиях.

Есть существа, называемые аксолотлями. Это земноводные, которые, если можно так выразиться, всю жизнь остаются головастиками. Эти животные обитают в воде, дышат жабрами и сохраняют хвост. Единственное, чем они отличаются от обычных головастиков, - это своей способностью к половому созреванию и размножению. Совершенно очевидно, что эти твари исходно гипотиреоидны, но в процессе эволюции они выжили и приспособились к своему жребию. Если же аксолотлю ввести экстракт щитовидной железы, то животное претерпевает не свойственный ему в природе метаморфоз. Вместо хвоста отрастают нижние конечности, жабры замещаются легкими. Аксолотль выползает на сушу, навеки оторвавшись от своего биологического вида.

Чувствительность амфибий к тиреоидному гормону так высока и специфична, что их использовали для тестирования активности лекарственных экстрактов щитовидной железы.

Поиск по сайту: