В книге много интересных и остроумных историй об открытиях и феноменах, гипотезах и перспективах науки психобиохимии!

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИЯ

Если теперь я вернусь к секретину и опишу его как белковую молекулу, то мы сразу кое-что узнаем о его строении. Более того, это небольшая белковая молекула с. молекулярным весом всего лишь 5000. (Это означает, что молекула секретина весит в 5000 раз больше, чем легчайший из атомов - атом водорода.)

Если мы примемся обсуждать молекулы других соединений, то вес 5000 может показаться достаточно большим. Например, молекула воды весит 18, молекула серной кислоты - 98, а молекула столового сахара - 342. Однако, учитывая, что молекулярный вес даже средних по размерам белковых молекул составляет от 40 000 до 60 000, не являются редкостью белки с весом 250 000, и известны белковые молекулы с весом несколько миллионов, можно видеть, что молекулярный вес 5000 можно считать просто маленьким.

Такие молекулярные веса вообще являются правилом для белковых гормонов. Молекулы гормонов должны быть перенесены из клеток, где они образуются, в кровеносное русло. В процессе такого переноса гормон должен путем диффузии пройти сквозь мембрану клетки и топкую стенку мельчайшего кровеносного сосуда - капилляра. Удивительно уже то, что молекулы с весом 5000 дальтон умудряются это сделать, но трудно надеяться, что то же самое могут сделать более крупные молекулы, - нельзя же, в самом деле, требовать от них так много! Действительно, молекулы белковых гормонов настолько малы для белков, что такие гормоны часто не называют белками. Речь в данном случае идет о пептидных гормонах.

Дело в том, что когда аминокислотные цепи белковых молекул расщепляются на более мелкие цепочки аминокислот под действием энзимов пищеварительного тракта, то эти цепочки получают название пептидов («переваренные», греч.). В биохимии вошло в обычай выражать размеры аминокислотных цепочек малых размеров греческими числительными, которые пишутся перед словом «пептид» для обозначения числа содержащихся в нем аминокислотных остатков. Например, дипептид - это цепочка из двух аминокислот, трипептид - из трех, тетрапеитид - из четырех и т. д.

Если число аминокислот в пептиде превышает дюжину, но не доходит до сотни, то такое соединение называют полипептидом («поли» по-гречески «много»). Секретин и другие гормоны подобной природы построены из аминокислотных цепей, содержащих больше дюжины, но меньше сотни аминокислотных остатков, и поэтому их иногда называют не белковыми, а полипептидными гормонами.

Сказав, что секретин является полипептидным гормоном, по логике вещей надо сделать следующий шаг и решить, какие аминокислоты содержатся в его молекуле и сколько каждой из них. К сожалению, это не слишком простая задача. Секретин образуется в весьма малых количествах, и при выделении его из ткани двенадцатиперстной кишки попутно выделяется еще несколько белков. Присутствие этих примесей, естественно, затрудняет анализ.

Однако в 1939 году секретин удалось получить и кристаллах (только чистый белок может быть получен в такой форме). После анализа кристаллов секретина было выяснено, что каждая его молекула состоит из следующих аминокислот, трех остатков лизина, двух аргинина, двух пролина, одного гистидипа, одного глютаминовой кислоты, одного аспарагиновой кислоты и одного метионина. Таким образом, молекула секретина содержит 11 видов аминокислот, а всего в ней содержится 36 аминокислотных остатков. Используя сокращения Бранда можно записать формулу секретина следующим образом:

Но даже определив все аминокислоты, содержащиеся в молекуле секретина, мы все равно столкнулись бы с проблемой выяснения точной структуры его молекулы. Нам осталось бы выяснить, в какой последовательности расположены аминокислоты в полипептидной цепи секретина. Если, допустим, вы знаете, что в некоем четырехзначном числе есть две шестерки, четверка и двойка, то все равно остается неопределенность относительно того, с каким числом вы имеете дело. Это может быть 6642, 2646, 4662 или любое из ряда других сочетаний. В математике существуют стандартные способы вычисления возможных сочетаний, которые можно построить из различных наборов единиц, и результаты таких вычислений потрясают воображение. Положим, что состоящая из 36 аминокислот молекула секретина содержит по две из восемнадцати различных аминокислот. Общее количество возможных последовательностей превысит число 1 400 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.

Это может показаться невероятным, но дело обстоит действительно так. И это, заметьте, касается мелкой белковой молекулы. Положение с белковыми молекулами средней величины намного сложнее, и этот факт может дать вам представление о том, с какими трудностями столкнулись биохимики, пытаясь выяснить строение белковых молекул.

Еще более поразительный факт, однако, заключается в том, что после Второй мировой войны биохимикам удалось разработать гениальную технологию, с помощью которой можно было отныне определять точную последовательность аминокислотных остатков в белковых молекулах (находя одну-единственную возможность из бесчисленных триллионов возможных комбинаций).

Выделение сложности структуры белковой молекулы, только что продемонстрированной на примере секретима, вызывает удивление перед способностью клетки вырабатывать такие сложные молекулы правильно, выбирая одну структуру из всех возможных. В действительности это ключевой химический процесс в живых тканях, подробности которого были частично раскрыты в течение последнего десятилетия.

Даже если мы допустим, что клетка может вырабатывать правильно построенные молекулы белка, то может ли она с нуля делать это столь быстро, что следовые количества кислоты в желудке могут вызвать настоящий поток секретина в кровеносное русло? При всем уважении к клетке такого трудно ожидать, и действительно начинается выброс секретина в кровь отнюдь не с нуля.

Секретин - продуцирующие клетки слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки - готовят молекулы вещества, называемого просекретином («предсекретина»), находясь в состоянии покоя. Просскретин запасается в клетке и хранится наготове. Для того чтобы превратить неактивную молекулу просекретина в активный секретин, очевидно, требуется небольшое изменение в его молекуле. Таким образом, стимулирующее действие кислоты сводится к небольшому изменению структуры готовой молекулы и не требует сложной работы по синтезу полипептидной цепи. Логично предположить, что просекретин - это относительно большая молекула, слишком большая, чтобы пройти сквозь клеточную мембрану, и это обстоятельство, так сказать, надежно замуровывает ее внутри клетки. Приток кислоты вызывает расщепление молекулы просекретина на более мелкие фрагменты, и эти фрагменты - а это и есть секретин диффундируют в кровеносное русло. Просекретин, таким образом, напоминает блок перфорированных почтовых марок. Для того чтобы отправить письмо, надо оторвать марку от блока, но целые блоки покупают и храпят дома до того момента, когда потребуется марка.

В связи с этим может возникнуть еще один вопрос: каким образом гормоны (и секретин, в частности, уж коли я заговорил об этом конкретном гормоне) реализуют свой ответ? Как ни странно это звучит, но несмотря на более чем полувековую историю изучения и удивительные успехи, которых биохимия добилась на всех направлениях, ответ па этот вопрос остается полной загадкой. Эта загадка касается не только секретина, но и практически всех других гормонов. К настоящему времени точно не установлен механизм действия ни единого гормона. Вначале, сразу после открытия секретина и подобных ему гормонов, было обнаружено, что это мелкие белковые молекулы, оказывающие свое специфическое действие в очень малых концентрациях (всего лишь 0,005 мг секретина - менее чем одной пятимиллионной части унции - достаточно для ответной реакции поджелудочной железы собаки), и поэтому было высказано предположение, что они действуют так же, как энзимы. Энзимы тоже являются белками и действую; в ничтожно малых концентрациях. Энзимы обладают способностью ускорять специфические реакции, и вполне возможно, что гормоны в организме делают то же самое.

Когда секретин попадает в поджелудочную железу, он, возможно, ускоряет какую-то ключевую реакцию, которая в его отсутствие идет очень медленно. Эта ключевая реакция, вероятно, запускает каскад реакций, который заканчивается образованием и секрецией порций панкреатического сока. Малый по интенсивности стимул в таких условиях может вызвать крупномасштабную реакцию. Эти механизм по своему действию напоминает действие рычажка в автомате пожарной сигнализации. Стоит потянуть за рычажок, как в пожарную часть поступает электрический сигнал. Пожарные собирают свои приспособления для тушения огня, и красные машины с воем сирен несутся по улицам к месту возгорания. Такой мощный ответ на легкое смещение рычажка. К сожалению, в отношении гормонов эта теория оказалась несостоятельной. Обычно энзимы проявляют свое ускоряющее воздействие на реакцию в пробирке не хуже, чем в живом организме, и в самом деле энзимы всегда изучались в пробирках, выражаясь научным языком, in vitro («в стекляшке», лат.), что позволяет проводить нужные реакции в контролируемых условиях. Однако с гормонами этого сделать не удастся. Очень немногие гормоны проявляют способность ускорять специфические биохимические реакции в пробирках. Кроме того, многие гормоны оказались по своей структуре не белками, а насколько мы знаем, все энзимы являются именно белками. Представляется, что единственный вывод, который мы можем сделать на основе этих данных, - это что гормоны не являются катализаторами. Была выдвинута вспомогательная теория о том, что, хотя сами гормоны не являются энзимами, они способствуют проявлению действия некоторых энзимов, которые ускоряют те или иные специфические реакции только в присутствии данного гормона. Или, возможно, существует целая энзимная система, выполняющая цепь реакций, противодействующих какому-то определенному эффекту. Гормоны подавляют активность какого-либо из этих энзимов. Такой гормон ингибирует («подавляет», «задерживает», лат.) активность энзимов. Это останавливает реакцию противодействия какому-либо процессу, и он начинает идти. Таким образом, быть может, поджелудочная железа могла бы постоянно вырабатывать панкреатический сок, если бы не какая-то ключевая реакция, которая этому противодействует. Секретин, блокируя эту реакцию, запускает синтез и секрецию панкреатического сока. Такой способ действия кажется весьма неуклюжим, но некоторые механизмы, сделанные людьми, работают по такому же принципу. Например, охранная сигнализация может быть сконструирована таким образом, что звонок не работает, пока в цепи прибора течет ток, но, как только взламывают дверь или окно, прерывая ток, звонок срабатывает.

К сожалению, оказалось трудно показать, что такое взаимодействие отдельных гормонов и энзимов осуществляется в природе. Даже в тех случаях, когда удалось продемонстрировать, что некоторые гормоны либо стимулируют, либо подавляю: действие энзимов, доказательства этих фактов оказались спорными.

Есть еще одна теория, смысл которой сводится? тому, что гормоны, воздействуя на клеточную мембрану, так изменяют ее свойства, что она начинает пропускать некоторые вещества из крови в клетку для наглядности представьте себе, что рабочие строят высокий небоскреб, и однажды им привозят алюминиевый сайдинг. В этом случае рабочие весь дет будут трудиться па фасаде дома. Если же вмести сайдинга привезут медную проволоку, то работы переместятся внутрь дома, где те же рабочие начнут прокладывать электрическую проводку.

Подобным же образом гормоны могут действовать на клеточную мембрану так, чтобы она пропускала внутрь клетки одни вещества и не пропускала другие. Возможно, воздействие секретина на мембраны клеток поджелудочной железы заключается в том, что эти клетки начинают получать и; крови вещество, необходимое для выработки панкреатического пищеварительного сока.

Но эта теория пока тоже не доказана. Вопрос о механизме действия гормонов остается открытым я бы даже сказал, очень широко открытым.

ПЕПТИДНЫЕ ГОРМОНЫ

Я сосредоточил внимание па секретине в гораздо большей степени, чем он сам по себе того заслуживает, потому что это, так сказать, минорный гормон, поскольку речь идет об этом классе физиологически активных веществ. Тем не менее, секретин интересен уже в историческом плане, как первый из открытых гормонов. Кроме того, многое из того, что я говорил о секретине, вполне приложимо и к другим гормонам.

Важно, однако, подчеркнуть, что на свете существуют и другие гормоны. Есть даже такие, которые тоже взаимодействуют с поджелудочной железой. Если очистить секретин и ввести его в кровь, то поджелудочная железа начинает обильно выделять щелочной сок, содержащий, однако, мало энзимов, а как раз они-то и отвечают за пищеварительное действие панкреатического сока. Не столь тщательно очищенные препараты секретина стимулируют выделение панкреатического сока с большим содержанием энзимов.

Очевидно, что в неочищенном препарате содержится какой-то второй гормон, удаляемый при очистке. Он-то и стимулирует выработку энзимов. Были приготовлены экстракты, содержащие это вещество, что позволило подтвердить эту догадку. Это второе вещество, стимулирующее выработку богатого энзимами панкреатического сока, тоже оказалось гормоном, который назвали панкреозимином (сокращение от «энзим поджелудочной железы»).

Представляется, что секретин оказывает также стимулирующее воздействие па печень, заставляя ее выделять другой пищеварительный секрет - желчь. Желчь, вырабатываемая под воздействием секретина, содержит малое количество веществ (обычно присутствующих в исходной желчи), называемых желчными солями и желчными пигментами, Желчный пузырь - небольшой мешок, прикрепленный к печени, - содержит запас концентрированной желчи, в которой повышена концентрация желчных солей и желчных пигментов. Секретин не стимулирует выброс этого запаса в кишечник, но зато это делает другой гормон, образующийся в слизистой оболочке кишки. Этот гормон стимулирует сокращение мышечной стенки желчного пузыря и выделение концентрированной желчи в кишку. Этот гормон называется холецистокинином («приводящий в движение пузырь», греч.).

Секреция холецистокинина стимулируется жиром, который вместе с желудочным содержимым поступает в двенадцатиперстную кишку. Это очень полезная реакция, поскольку желчь самой природой предназначена для эмульгирования жиров и облегчения их переваривания. Жирная пища стимулирует повышенную секрецию холецистокинина, который, в свою очередь, стимулирует желчный пузырь, заставляя последний выдавливать в кишку большее, чем обычно, количество желчных солей (эмульгаторов), которые эмульгируют жир, запуская процесс его подготовки к перевариванию.

Я уже упомянул о том, что одним из эффектов секретина является нейтрализация кислотности желудочного сока, поскольку вырабатываемый под действием секретина панкреатический сок имеет щелочную реакцию. Это необходимо, потому что энзимы панкреатического сока работают только в слабощелочной среде, и если поступившая в кишку пища сохранит кислую реакцию, то пищеварение будет происходить с черепашьей скоростью Частично этот желательный ощелачивающий эффект будет ослаблен, если желудок продолжит вырабатывать большие количества кислоты после того, как пища покинет его. Насколько необходим; такая секреция, пока желудок наполнен пищей, на столько же она вредна, когда он пуст, а кислый желудочный сок беспрепятственно поступает в кишку. Неудивительно поэтому, что одним из многих эффектов секретина оказалась его способность подавлять желудочную секрецию.

Правда, более действенную роль в подавлении желудочной секреции играет другой гормон, предназначенный специально для этой цели. Несколько веществ, присутствующих в пище, стимулируют кишечник к выработке вещества, названного энтерогастроном («кишечно-желудочный», греч.) названии подчеркивается, что вещество вырабатывается в кишечнике, но действует на желудок). Энтерогастрон, в отличие от многих других гормонов не стимулирует, а, наоборот, угнетает функцию Было предложено называть вещества, которые во всех отношениях ведут себя как гормоны, за исключением того, что они подавляют, а не стимулируют какие-то функции, халонами («ослаблять» греч.). Тем не менее, название не прижилось, и гормонами по-прежнему без разбора называют все подобные вещества, независимо от того, возбуждают (как следует из самого слова «гормон») они какую-либо функцию или подавляют ее.

Однако, если поступление пищи в верхние отделы кишечника стимулирует секрецию гормонов подавляющих желудочную секрецию, то пища, находящаяся в желудке, должна, по логике вещей, вызывать секрецию гормонов, стимулирующих вы деление желудочного сока, поскольку он нужен для переваривания этой пищи. Такой гормон действительно был найден. Он продуцируется клетками слизистой оболочки желудка, и его назвали гастрином («желудок», греч.).

Согласно данным исследователей, было открыто множество гормонов, которые так или иначе влияют на секрецию пищеварительных соков в желудке и тонком кишечнике. Ни один из этих гормонов не был изучен столь подробно, как секретин, но считается, что все они - полипептиды. Единственный гормон, который в этом отношении вызывает споры, - это гастрин. Некоторые ученые полагают, что молекула гастрина представляет собой модифицированную молекулу одной-единственной аминокислоты. Все упомянутые гормоны работают совместно, обеспечивая согласованную деятельность желудка и кишечника. Всю совокупность гормонов, регулирующих работу пищеварения, называют гормонами желудочно-кишечного тракта.

Гормоны оказывают влияние на выработку пищеварительных соков. Это факт, но не менее интересным фактом является то, что эти отношения обоюдны. Существуют пищеварительные соки, которые вызывают образование в крови полипептидных гормонов. Это открытие было сделано в 1937 году, когда группе немецких физиологов удалось показать, что смесь сыворотки крови и экстракта слюнных желез вызывает сокращение изолированного участка стенки толстой кишки. По отдельности такого эффекта не оказывали ни сыворотка, ни экстракт слюнных желез. Вывод напрашивался сам собой. Очевидно, что в слюнной железе содержится энзим, который, попав в кровеносное русло, отщепляет небольшой фрагмент от крупной белковой молекулы, циркулирующей в крови (пользуясь уже упомянутой аналогией, можно сказать, что это похоже на отрывание почтовой марки от их блока). Малые фрагменты оказались полипептидными; гормонами, которые в одних условиях вызывали сокращение гладкой мускулатуры, а в других - ее расслабление.

Энзим был назван калликреином. Оказалось, что он и некоторые подобные ему ферменты находятся не только в слюнных железах, но и в других тканях. Гормон, продуцируемый под действием калликреина, был назван каллидином. Он существует в двух очень похожих друг на друга разновидностях - каллидин и каллидин II. Функция каллидина в организме до сих пор полностью не выяснена. С одной стороны, он снижает артериальное давление, расширяя мелкие кровеносные сосуды и увеличивая их емкость. В результате сосуды становятся более проницаемыми, что, в свою очередь, позволяет жидкости скапливаться в пораженных участках, образуя волдыри. Белые кровяные тельца, лейкоциты, довольно легко проникают сквозь стенки пораженных сосудов и проникают в волдыри, тоже скапливаясь там вместе с жидкостью.

Вещество, похожее на каллидин, образуется в крови под действием некоторых змеиных ядов. Суммарный эффект на ткани в некоторых отношениях напоминает воздействие на них соединения, называемого гистамином, но проявляется он медленнее, чем при введении или выделении последнего (30 секунд против 5). Каллидииоподобпое вещество, продуцируемое иод действием змеиного яда, назвали брадикинином («медленно движущий», греч.). По мере изучения брадикинин, каллидин и подобные им гормоны были объединены под общим названием кинины. В яде осы, например, содержатся готовые к действию кинины. Когда оса жалит, кинины попадают непосредственно в кровоток и по меньшей мере отчасти объясняют возникновение боли и отека, развивающегося вследствие нарушения проницаемости мелких сосудов и скопления под кожей вытекшей из них жидкости.

Молекулы кинина не столь сложны, как молекулы желудочно-кишечных гормонов. Имея в своем составе 9 - 10 аминокислотных остатков, эти соединения вряд ли могут претендовать на право называться уважаемыми членами славного семейво полипептидов. Сравнительная простота строения кинимов позволила биохимикам установить точную последовательность аминокислот в их молекулах. Оказалось, например, что брадикинин идентичен каллидину I, и его молекула состоит из 9 аминокислот. Применяя сокращения Бранда, можно и записать их порядок: