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

ДРУГИЕ СТЕРОИДЫ

В организме существуют и другие стероиды, которые могут либо синтезироваться из холестерола, либо образовываться одновременно с ним в ходе похожих химических реакций. Например, желчь содержит стероиды, называемые желчными кислотами. Концентрация их в желчи в 7 - 8 раз превышает концентрацию холестерола. (В отличие от последнего, желчные кислоты не приводят к заболеваниям, так как хорошо растворяются в воде и не выпадают в виде камней в осадок.)

Молекулы желчных кислот отличаются от холестерола главным образом тем, что в ней от восьмиуглеродyой цепи, присоединенной к 17-углеродному атому холестерола, от пятого ее атома, отщепляется трехуглеродный фрагмент, а сам пятый атом углерода становится частью карбоксильной группы (-СООН). Именно этой группе и обязаны желчные кислоты своим названием.

К классу желчных кислот относятся несколько соединений. Одно из них, подобно холестеролу, содержит гидроксильную группу у третьей) углеродного атома. У другой желчной кислоты в молекуле есть еще одна гидроксильная группа, присоединенная к углероду-12, а у еще одной имеется и третий гидроксил у седьмого атома углерода. Через карбоксильные группы желчные кислоты могут связываться с аминокислотой глицином или серосодержащим веществом таурином. Эти новые вещества образуют новый класс соединений, которые называются желчными солями. Желчные соли обладают одним весьма интересным свойством. Большая часть их молекулы растворима в жирах, а карбоксильная группа и связанные с ней соединения растворимы в воде. Таким образом, соли желчных кислот имеют склонность собираться на границе водной и жировой фаз, причем жирорастворимая часть погружена в жир, а водорастворимая - в воду.

На границе раздела фаз накапливается энергия, которая силой поверхностного натяжения стремится сократить площадь соприкосновения фаз до минимума. Энергия поверхностного натяжения больше чем энергия, накопленная в какой-то одной, отдельно взятой жидкости организма. Поэтому на границе раздела фаз вода и масло (жир) распределяются в виде тонкой пленки. Если энергично встряхнуть смесь, то либо пузырьки масла появятся в воде, либо пузырьки воды в масле. Энергия встряхивания перейдет в энергию образования новых границ раздела фаз. После прекращения встряхивания силы поверхностного натяжения вновь приведут к образованию тонкой пленки на границе раздела фаз.

Присутствие солей желчных кислот, однако, уменьшает энергию, накопленную в месте раздела фаз, и уменьшает поверхностное натяжение. Это означает, что поверхность соприкосновения фаз может быть легко расширена. Пища измельчается под действием перистальтических сокращений тонкой кишки, и кусочки жира легко разбиваются на мелкие пузырьки, а те, в свою очередь, на еще более мелкие. (Чем меньше диаметр пузырьков, тем больше площадь соприкосновения жира и воды для данного веса жира.) Более того, образовавшиеся пузырьки не имеют склонности распадаться, так как соли желчных кислот проникают во все вновь формирующиеся пленки разделы фаз, попадая в «оболочку» каждого пузырька. Микроскопические пузырьки жира расщепляются пищеварительными ферментами гораздо быстрее, чем крупные куски жира, потому что ферменты не растворяются в жиpax и могут осуществлять свое действие только на их поверхности.

Весьма радикальные изменения в строении стероидов часто происходят под воздействием ультрафиолетового излучения. Разрывается связь между 9-м и 10-м атомами углерода, и кольцо раскрывается. Строго говоря, образовавшееся вещество по своему строению не является больше стероидом, поскольку перестало существовать стероидное ядро. Однако молекула сохраняет химическое родство со стероидами и обычно рассматривается как член группы этих соединений.

Многие из таких «расщепленных стероидов обладают биологической активностью витамина. Это означает, что они каким-то образом сохранили нормальное строение костной ткани. Действительно, нормальное формирование костей невозможно без витамина D. Правда, расщепленный стероид, образовавшийся непосредственно из холестерсш не обладает свойствами витамина. Тем не менее холестерол всегда встречается в организме в близком соседстве с небольшим количеством очень похожего па него стерола, который отличается от самого холестерола тем, что имеет еще одну двойную связь между седьмым и восьмым атомами углерода. Именно это соединение, будучи расщепленный ультрафиолетовыми лучами, обладает свойствам витамина D. В слоях подкожного жира находятся как холестерол, так и его спутник с двумя двойными связями. Ультрафиолетовое излучение проникает под кожу и, воздействуя на стерол, преобразует его в витамин. По этой причине витамин D называют витамином солнечного света, что не означает, что этот (или любой другой витамин) сам является солнечным светом.

Если бы витамин D образовывался в организме или если бы он секретировался в кровь каким-либо специализированным органом, то сто с полным нравом можно было бы назвать гормоном. Его можно было бы даже считать гормоном, который, подобно недавно открытому кальцитонину, противодействует эффектам паратиреоидного гормона, усиливая отложение неорганических веществ в костной ткани (паратиреоидиый гормон способствует вымыванию кальция из костей), так же как глюкагон противодействует проявлению эффектов инсулина, Но поскольку организм не продуцирует витамин D прямо, но только под действием солнечного света, а при отсутствии инсоляции должен получать с пищей следовые количества этого вещества, то его назвали витамином.

Некоторое количество стероидов, которые не образуются в человеческом организме, обнаруживаются в тканях представителей других биологических видов. Эти стероиды почти всегда оказывают сильное воздействие на физиологические функции человеческого организма, если их ввести даже в малых количествах. Такие стероиды содержатся, например, а семенах и листьях пурпурной наперстянки. Пурпурные цветки выглядят как наперсти, откуда растение и получило свое название. По-латыни это растение называется Digitalis purpurca (от латинского слова digitus («палец»), па который, естественно, надевают наперсток). Стероиды наперстянки похожи но строению на желчные кислоты. Есть, правда, и отличие. Карбоксильная группа боковой цепи образует связь с другой частью этой цепи с формированием пятого кольца, не являющегося частью стероидного ядра. Этот пептациклическин стероид, вступая в связь с некоторыми сахарами, образует вещества, называемые гликозидами («сахароподобные», реч.). Эти соединения используются для лечения некоторых заболеваний сердца и называются поэтому сердечными гликозидами.

В адекватных дозах сердечные гликозиды полезны и иногда могут даже спасти человеку жизнь, но в больших дозах они яды, и могут даже послужить причиной смерти.

Стероиды, похожие на стероиды сердечных гликозидов, обнаружены в слюнных железах жабы. Эти гликозиды называют жабным ядом. Есть группа стероидов, обнаруженных в растениях. Эти стероиды называются сапонинами (sapo - «мыло», лат.), так как образуют в воде мыльные растворы. Эти гликозиды тоже ядовиты. Но почему стероиды оказывают такое выраженное воздействие на физиологические функции и таких малых дозах? Потому что многие из них, подобно солям желчных кислот, действуют на границе раздела фаз. Очень многие физиологические эффекты зависят от процессов, происходящих на границе раздела. Изменяя природу поверхностей, стероида изменяют поведение веществ и их физиологические эффекты.

Для живых тканей самой важной границей раздела фаз является граница между клеткой и окружающей средой. Клетка заключена в очень тонкую мембрану. Они так топки, что только в 50-х годах, с помощью лучших на тот момент электронных микроскопов, удалось приступить к изучению клеточных мембран. Оказалось, что мембрана состоит из двойного слоя содержащих фосфор жироподобных молекул (фосфолинидов), а этот слой с обеих сторон покрыт слоем белковых молекул. Именно через этот тонкий слой вещества поступают в клетку и покидают ее. Вход и выход веществ может осуществляться через поры, либо существующие в мембране, либо образующиеся заново в процессе перехода. Но транспорт веществ через клеточную мембрану, каким бы ни был его механизм, не может быть чисто пассивным процессом. Некоторые атомы и молекулы могут проходить сквозь мембрану с большей легкостью и быстрее, чем другие атомы и молекулы таких же размеров. В такой избирательности большую роль может играть тот факт, что мембраны построены из фосфолипидов и белков. Фосфолипиды хорошо растворимы в жирах, а белки - в воде. Возможно, что способ, которым какое-либо вещество может (или, наоборот, не может) проникнуть через мембрану, зависит от его относительной растворимости в жирах и в воде.

В главе 1 я упомянул теорию, согласно которой гормоны проявляют свое действие, изменяя проницаемость мембраны перехода сквозь нее определенных веществ. Можно представить себе пептидную молекулу, которая, распластавшись по поверхности мембраны, так изменяет ее свойства, что она начинает активно пропускать в клетку глюкозу, скорость поступления которой внутрь клетки, естественно, при этом возрастает, что, в свою очередь, приводит к снижению концентрации глюкозы в крови. (В этом, как вы помните, и заключается эффект действия инсулина.) Представляется вполне разумным предположить, что если белковые молекулы изменяют свойства водорастворимой части мембраны, то есть ее белковой части, то стероиды, являясь жирорастворимыми молекулами, могут изменять строение фосфолипидной части мембраны. Возможно, именно таким способом витамин D изменяет строение фосфолипидной части мембран костных клеток, и последние начинают с большой скоростью пропускать внутрь себя ионы кальция. Таким же образом можно объяснить и механизм действия других стероидов, которые не только выполняют гормонально подобные функции, как витамин D, но и действительно являются гормонами, поскольку секретируются в кровь специализированными эндокринными железами.

Действительно, гормоны распадаются на два и только два класса. Они либо являются но природе белками или аминокислотами и предположительно влияют на водорастворимую часть клеточной мембраны, либо они являются стероидами и предположительно влияют на жирорастворимую часть клеточной мембраны.

КОРТИКОИДЫ
Одной из желез, вырабатывающих стероидные гормоны, является кора надпочечников.

Важная роль, которую играет в организме кора надпочечников, была впервые осознана в 1855 году, когда английский врач Томас Аддисон подробно описал клиническую симптоматику поражения этого органа (иногда надпочечники поражаются при туберкулезе). Основным симптомом было нарушение пигментации кожи, которая неравномерно окрашивается в бронзовый, с сероватым оттенком цвет, вследствие повышенной выработки кожного пигмента меланина. Характерны также анемия, мышечная слабость и нарушения функции желудочно-кишечного тракта. Современные методы исследований добавили к этой картине нарушения распределения воды в организме, концентрации глюкозы и различных неорганических ионов в крови, Так, в крови падает концентрация иона натрия вследствие его повышенного выведения с мочой и повышается концентрация иона калия, который в больших количествах выходит из клеток. Болезнь неуклонно прогрессирует и неизбежно приводит к смерти, которая наступает через два-три года после начала болезни, если не начать лечения. Поскольку эту болезнь, возникающую от недостаточности коры надпочечников, впервые тщательно описал Аддисон, то ее с тех пор называют болезнью Аддисона.

Сомнения, касающиеся жизненной необходимости коры надпочечников для нормальной жизнедеятельности организма, были развеяны опытами на животных. Животные, которым удаляли кору надпочечников, начинали страдать нарушениями, характерными для тяжело протекающей болезни Аддисона, и погибали в течение двух недель.

В 1929 году были разработаны методы приготовления экстрактов из коры надпочечников, которые позволяли продлить жизнь адреналэктомированных животных (животных, которым удалили надпочечники). К тому времени биохимики накопили достаточный опыт работы с гормонами и были уверены, что экстракт, названный кортином, содержит хотя бы один гормон. Несколько исследовательских групп приступили к поискам.

В течение 30-х годов на след удалось напасть двум группам - американской, под руководством Эдварда Кендалла, и швейцарской, под руководством выходца из Польши Тадеуша Рейхштейна Успех этих исследований был отмечен Нобелевской премией по медицине и физиологии, которую Кендалл и Рейхштейн получили в 1950 году.

К 1940 году из коры надпочечников было получено более двух десятков различных кристаллических соединений. Это была поистине нелегкая задача, поскольку из тонны надпочечников, извлеченных из настоящей гекатомбы быков, было получено всего пол-унции нужного соединения. Поначалу никто не знал химической природы полученных соединений, и Кендалл называл их просто «соединение А», «соединение В» и т. д. Рейхштейн делал то же самое, но вместо слова «соединение» употреблял слово «вещество». Исследование продвигалось вперед, и было выяснено, что все без исключения соединения (или вещества) являются по своему строению стероидами. Их объединили в одну группу, обозначив собирательным термином адренокортикосткероиды или, сокращенно, кортикоиды.

Стероидная природа различных веществ, содержащихся в коре надпочечников, сразу решила по крайней мере одну проблему. Кора надпочечников очень богата холестеролом, богаче любого органа, кроме головного мозга. Раньше это казалось головоломкой, но теперь стало ясно, что холестерол - это запас сырья, из которого надпочечники синтезируют различные кортикоиды.

Все биологически активные кортикоиды имеют одинаковый углеродный скелет, который отличается от углеродного скелета холестерола главным образом тем, что цепь атомов углерода, присоединенная к 17-му атому, укорочена на шесть атомов и содержит вместо восьми атомов углерода всего два. Таким образом, кортикоиды содержат по 21 атому углерода, а не 27, как холестерол.

Ниже приведена формула одного из кортикоидов, продуцируемых корой надпочечников. Все атомы в формуле пронумерованы с 1 до 21.
Обратите внимание, что этот кортикоид содержит в молекуле не один, как холестерол, а целых четыре атома кислорода. Два атома кислорода входят в состав гидроксильпых групп. Другие два соединяются с молекулой стероида двойной связью. Группа С=О была впервые обнаружена в простом органическом соединении - ацетоне. По этой причине все соединения, обладающие такой группой атомов, имеют в своем названии суффикс -он. Так как все важные кортикоиды несут в положении эту группу (вместо гидроксильный группы в молекуле холестерола), все они имеют в своих названиях суффикс он. Соединение, приведенное выше (Кендалл назвал его соединением В, а Реихштейн - веществом Н), называется теперь кортикостероном.

Одним из эффектов этого гормона является поддержание запасов гликогена в печени. Такое действие напоминает действие инсулина и противоположно эффекту глюкагона, показывая сложность гормонального баланса, регулирующего уровень глюкозы в крови.

Есть и другие кортикоиды, действие которых на организм похоже на действие кортикостеропа. Один из них - это тот гормон, который Кендалл называл соединением Е, а Рейхштейн - веществом Fa. В отличие от кортикостерона в его молекуле содержится 5-й атом углерода, присоединенный к 17-му атому углерода в форме гидроксильной группы. Кроме того, один из атомов кислорода присоединен к 1 1-му атому углерода не в виде гидроксилыюй группы, как в кортикостероне, а в виде карбонильной (ОО). Для химика такие различие определяется названием - 17-гидрокси-11-дегидрокортикостерон. Когда это вещество стали применять в клинической практике по причинам, которых я вкратце коснусь, потребовалось более удобное название, и оно было найдено - на свет родился кортизон.

У двух кортикоидов в положении 11 отсутствует атом кислорода. Один из таких кортикоидов, который Рейхштейн выделил из надпочечников быка, отличался от кортикостерона именно отсутствием этого атома кислорода. Но вполне разумным причинам это соединение было названо дезоксикортикостероном или, сокращенно, ДОК. ДОК не занимается хранением глюкозы в печени, поле его деятельности поддержание водного и электролитного равновесия. Этот гормон стимулирует реабсорбцию соли в почечных канальцах и задерживает калий в клетках, поддерживая тем самым должный уровень внеклеточной жидкости.

Кортикоиды разделяют на две группы - на те, которые, подобно кортикостерону и кортизону, имеют в положении 11-й атом кислорода и называются глюкокортикоидами, поскольку регулируют содержание гликогена в печени, и на те, которые, подобно ДОК, не имеют атома кислорода в 11-м положении и называются минералокортикоидами, поскольку регулируют минеральный обмен.

Минералокортикоиды играют более важную роль в поддержании жизнедеятельности, чем глюкокортикоиды, поскольку было показано, что введение адреналэктомированным крысам ДОК позволяет дольше поддерживать их жизнь, чем введение кортикостерона.

В 1955 году, больше чем через десять лет после открытия четырех глюкокортикоидов и двух минералокортикоидов, произошло сенсационное открытие. Из надпочечников был выделен еще один минералокортикоид. Он вырабатывается корой надпочечников в очень малых количествах, чем и объясняется такая задержка с его открытием. Однако это очень мощный минералокортикоид. При испытаниях на адреналэктомированных крысах было показано, что он в 25 раз мощнее, чем ДОК.

Новый минералокортикоид отличался и необычным строением. Во всех других кортикоидах атом углерода в 18-м положении связан с тремя атомами водорода, образуя метильную группу. Было выяснено, что в новом соединении углерод-18 связан с атомом кислорода и атомом водорода. Эта группа называется альдегидной, поэтому соединение было названо альдостероном.

Кроме того, в отличие от других минералокортикоидов, альдостером содержит кислород в положении 11. Это должно делать альдостерон глюкокортикоидом, но такого не происходит благодаря тому, что альдегидная группа у 18-го атома связывается кислородом в 11-м положении и нейтрализует его. Видимо, в этом и заключается смысл существования альдегидной группы в положении 18.

Вся ситуация может показаться странной. Зачем помещать в положение 11 кислород, а потом конструировать молекулу таким образом, чтобы нейтрализовать этот атом? Почему бы просто не удалить этот атом? Почему это так, мы пока не знаем, но мы знаем, что присутствие атома кислорода в 11-м положении и его последующая нейтрализация позволили создать более мощный минералокортикоид, чем те, у которых нет атома кислорода в 11-м положении.

Различные кортикоиды - все вместе и по отдельности - можно использовать при недостаточности коры надпочечников, так же как используется инсулин при сахарном диабете. Это не делает кортикоиды столь же важными, как инсулин, поскольку заболевания надпочечников не так распространены, как диабет.

Естественно, что после выделения кортикоидов началось их всестороннее изучение и попытки применить при различных болезнях обмена веществ.

Действие гормонов бывает иногда столь разнообразным, что никогда нельзя заранее сказать, не окажет ли он какое-то непрямое действие, которое сможет облегчить те или иные симптомы, если не обеспечить излечение. Никто не замечал в кортикоидах ничего необычного до 1948 года, когда кортизон стал доступен в больших количествах. Американский врач Филипп Шоуэлтер Хенч, работавший в группе Кендалла, попробовал лечить кортизоном ревматоидный артрит. К его удивлению, кортизон оказал выраженный эффект. С его помощью удалось облегчить состояние и самочувствие больных.

Было о чем подумать. Артрит - это обездвиживающее и весьма мучительное заболевание. Он может поразить любого человека, и не существует методов его излечения. Всякое вещество, которое сможет облегчить боль и сделать возможными движения в суставах, прославится в веках, даже если и не наступит полного выздоровления. В связи с этим Хенч в 1950 году вместе с Кендаллом и Рейхштейном получил Нобелевскую премию по медицине и физиологии.

Кортизон используется также для лечения кожных заболеваний, при лечении подагры. Его применяют и как противовоспалительное средство. Несмотря на это, в отличие от инсулина, кортизон так и не заслужил почетного звания спасителя человечества. При его применении всегда существует опасность развития нежелательных побочных эффектов. Врачи должны применять его с большой осторожностью. Наиболее консервативные из докторов вообще не применяют кортикоиды, если можно избежать их назначения.

Поскольку молекулы кортикоидов просты по сравнению со сложными белковыми цепями, появилась возможность экспериментировать и создавать синтетические стероиды, не существующие в природе. Вот только один пример. Был синтезирован стероид, в котором к атому углерода в положении 9 был присоединен атом фтора, в результате чего был получен глюкокортикоид в 10 раз более активный, чем любой из природных глюкокортикоидов. К сожалению, побочные эффекты при применении этого синтетического вещества тоже встречаются намного чаще и являются намного более выраженными.