Регулирование физиологических функций

Сложное строение живых организмов и их способность реагировать на различные воздействия как единое целое требует совершенных механизмов регулирования физиологических функций. В любом живом организме деятельность всех его структур строго согласована в пространстве и времени. Такую согласованность обеспечивают сложные механизмы регулирования физиологических функций.

Термин «регулирование» означает поддержание параметров системы на заданном уровне (например, концентрацию глюкозы в крови, рН крови, величину артериального давления и т.д.). Термин «управление» означает воздействие на систему с целью изменения ее функционирования. Итак, в более широкой трактовке термин «регулирование» включает и процессы управления. Область управления может быть разной: в простейшем варианте — поддержание на постоянном уровне какого-либо параметра (температуры тела), в сложном — приспособление функций к меняющимся условиям существования. Если управление осуществляется без какого-либо вмешательства извне, его называют автоматическим. Разновидностью автоматического управления является саморегуляция физиологических функций.

В любой системе управления различают орган и объект управления, соединенные каналом связи. Если система управления не учитывает информацию от объекта управления, ее называют незамкнутой или разомкнутой. Незамкнутые системы управления имеют небольшое значение в физиологическом регулировании. В живых организмах наиболее распространены замкнутые системы управления с обратными связями. Орган управления получает информацию как извне, так и от объекта управления по линии обратной связи.

Различают положительный и отрицательный обратную связь. Если информация от объекта управления приводит усиления регуляторного влияния, такая связь называют положительным.

Положительная обратная связь редко используется для управления, поскольку вызывает переход системы в экстремальное состояние и вызывает лавинный процесс. Однако он способствует усилению слабых сигналов и лежит, например, в основе регенеративной натриевой проницаемости мембраны при генерации потенциала действия и внутриклеточной трансдукции сигнала при взаимодействии адекватного раздражителя с рецептором.

Отрицательная обратная связь предотвращает развитие процесса, стабилизируя его, позволяет поддерживать стационарное состояние, поэтому широко используется в регулировании биологических процессов. В живых организмах это основной механизм саморегуляции гомеостаза, то есть относительной динамической стабильности внутренней среды организма и устойчивости его основных физиологических функций. Выражением гомеостаза служит ряд биологических констант — стабильных количественных показателей, характеризующих нормальное состояние организма. Такими постоянными показателями являются температура тела, осмотическое давление крови и межклеточной жидкости, содержание в них N3, К+, Са2+, Cl, фосфатов, белков, глюкозы, Н+ и т.д.

В ходе эволюции должны были сформироваться сначала внутриклеточные механизмы физиологического регулирования — регуляция на уровне ферментов, мембранная и генетическая регуляция.

Уже на уровне метаболических процессов в клетках осуществляется относительно автономное управление и регулирование. Если бы метаболические процессы были несогласованными, в клетках наблюдалось бы накопления одних веществ и дефицит других. Кроме того, система регулирования метаболических реакций обеспечивает постепенное высвобождение энергии. Необходимо также отметить, что большинство метаболических реакций характеризуется большими значениями энергии активации, поэтому вне клеток при температуре 30-40 ° С они вообще бы не состоялось.

Снижают энергию активации и повышают вероятность метаболических реакций ферменты, то есть скорость химических реакций в клетках определяется по количеству и активности ферментов. Ферменты являются весьма специфическими, поэтому каждую реакцию контролирует определенный фермент. Кроме снижения энергии активации, ферменты служат главными рычагами, через которые регулируется метаболизм. Метаболические процессы в клетках контролируются главным образом благодаря регулированию активности индивидуальных ферментов. Активность ферментов регулируется прежде всего на уровне их каталитических центров. Реакционная способность и направленность работы каталитических центров зависят от количества субстрата (закон действующих масс). Интенсивность работы ферментов определяют и по наличию коферментов и кофакторов, активаторов и ингибиторов.

Некоторые ферменты, кроме каталитических центров, имеют и аллостерические (регуляторные) центры, которые служат для связывания аллостерических эффекторов (регуляторов). Такими регуляторами могут служить определенные метаболиты, гормоны и молекулы субстрата. В результате воздействия на аллостерический центр положительно или отрицательно действующего регулятора происходит изменение конформации фермента, ведет или к активации или к торможению каталитического центра. В процессе осуществления механизмов регулирования количество ферментов не меняется.

Важным способом регулирования ферментативной активности является превращение неактивной формы фермента (зимогена) в активную. Кроме того, некоторые потенциально активные ферменты не могут функционировать, поскольку они связаны, например, в лизосомах. Инактивация ферментов осуществляется благодаря связыванию их ингибиторами белковой природы, а также разрушению протеиназами.

В регулировании ферментативной активности мультиферментных систем важную роль играют отрицательные обратные связи. Мультиферментная система -это система, в которой индивидуальные ферменты организованы так, что продукт одной реакции служит субстратом для следующей. Во многих случаях продукт реакции контролирует активность одного из предыдущих ферментов (обычно первого) и служит сигналом отрицательной обратной связи.

Генетическая регуляция обеспечивает поддержание количества ферментов определенного типа. Она осуществляется за счет репрессии и индукции. Гены, кодирующие синтез ферментов по принципу: «один ген — один фермент», называются структурными. Структурные гены включаются операторным геном, который контролируется двумя факторами — репресором и индуктором. Репресор может находиться в активной и неактивной форме. В активной форме репресор способен взаимодействовать с операторным геном и предотвращать транскрибированию структурных генов. Репресор — белок, который может взаимодействовать с низкомолекулярными соединениями. Благодаря этому репресор превращается в неактивную форму, так что не может взаимодействовать с операторным геном и предотвращать транскрибированию структурных генов. Это происходит тогда, когда начинается синтез фермента. Итак, клетки синтезируют только те ферменты, которые необходимы при определенных условиях. Эту закономерность впервые установили для кишечной палочки, однако она имеет универсальный характер.

С появлением многоклеточных организмов развиваются и совершенствуются межклеточные системы регулирования. Они включают гуморальный и нервный механизмы. Гуморальный, или химический, механизм регулирования филогенетически является старше. Он основывается на том, что в разных клетках и органах в процессе обмена веществ образуются различные по химической природе соединения. Для некоторых из них характерна высокая физиологическая активность, то есть в малых концентрациях они способны вызывать значительные изменения физиологических функций. Такие вещества поступают в тканевую жидкость, затем — в кровь, которой разносятся по всему организму, и могут действовать на клетки и ткани, удаленные от места их образования. Действие химических раздражителей, которые циркулируют с кровью, адресована всем клеткам и тканям. Однако они неодинаково действуют на клетки. Благодаря наличию в клетках специфических рецепторов они избирательно чувствительны к различным химическим раздражителям.

Итак, гуморальная регуляция функций осуществляется через жидкостные среды организмов (кровь, лимфу, тканевую жидкость) с помощью физиологически активных веществ (метаболитов, нейрогормонов, гормонов, простагландинов, пептидов, биогенных аминов, кининов, ионов и др.). Для нее характерны следующие особенности: относительно медленная транспортировка гуморального фактора, отсутствие точного адреса, по которому он транспортируется, невысокая надежность, поскольку гуморальные факторы быстро разрушаются и выводятся из организма.

В ходе эволюции животных механизмы гуморальной регуляции постепенно дополнялись более сложным и совершенным механизмом — нервной регуляцией. Кроме того, сама гуморальная регуляция оказалась под контролем нервной системы. Такое доминирование в высокоорганизованных организмов нервного механизма регулирования привело к редукции гуморального механизма. На определенном этапе эволюции возникают специализированные органы гуморальной регуляции — эндокринные железы, продуцирующие действующие факторы гуморального регулирования — гормоны. Задолго до появления эндокринных желез возникла способность нервных клеток продуцировать секрет, содержащий нейрогормоны. У беспозвоночных животных большинство гормонов производится клетками нервных ганглиев. Примитивная нервная система возникла у кишечнополостных. В гидры нервные клетки функционируют как нейросекреторные, и их гормоны регулируют рост и развитие. Эпителиальные эндокринные железы возникли в червей и моллюсков.

В организме высших животных устанавливается взаимодействие между гуморальными и нервными механизмами регулирования. Различные химические факторы, в частности гормоны (например, половые), влияют на нервную систему. А нервная система влияет на выведение в кровь различных физиологически активных веществ, в т. ч. и гормонов. Кроме того, нервная активация клеток реализуется через вывод в синаптическую щель химических факторов — медиаторов. Многие органы одновременно регулируется гуморальным и нервным механизмами. Под контролем преимущественно гуморальных факторов находятся длительные изменения обмена веществ, размножение, развитие и рост. Быстрые изменения деятельности мышц и желез контролируются в основном нервной системой.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.