ХОРМОНИ И ТЕРМОРЕГУЛАЦИЯ Друга специфична област на адаптивно действие на хормоните
Друга специфична област на адаптивно действие на хормоните е регулирането на топлообмена. Преносът на топлина се образува, както е известно, от процесите на производство на топлина и пренос на топлина. Производството на топлина е неизбежен резултат, от една страна, от непродуктивна (от химическа гледна точка) загуба на енергия за биологично окисление (неконюгирано или свободно окисление), от друга страна, следствие от разсейване на топлинна енергия по време на работата, извършвана от клетката.
При студенокръвните (пойкилотермични) животни съотношението на топлопродукция и топлоотвеждане е некоординирано и не е физиологично свързано с необходимостта от поддържане на постоянна телесна температура. При топлокръвните (хомеотермични) животни, които включват птици и бозайници, взаимодействието на процесите на генериране на топлина и пренос на топлина е физиологично организирано с помощта на специализирани механизми, чието действие е насочено към поддържане на температурната хомеостаза. Такива механизми минимизират разликата между реалната телесна температура в момента и зададената постоянна температура. В този случай генерирането на топлина в процеса на свободно окисление и работа придобива регулаторна термогенна функция.
Най-важната роля в регулирането на топлообмена при хомойотермните животни се играе от централната нервна система и особено от центровете за терморегулация на хипоталамуса, чувствително реагиращи на най-малките промени в телесната температура и външната среда. В предния хипоталамус има центрове за подобряване на топлообмена, в задния - центрове за стимулиране на производството на топлина и инхибиране на топлообмена. Централните механизми включват както бързо реагиращи про-
процеси на терморегулация - неволно мускулно треперене по време на охлаждане, повишена двигателна активност, промени в съдовия тонустелесни повърхности, изпотяване и относително бавно протичащи - мобилизиране на глюкоза и NEFA - субстрати на окислителните процеси, стимулиране на дишането в митохондриите и др.
Центровете за терморегулация променят своето функционално състояние в съответствие с температурните промени, регистрирани от два вида терморецептори. Първият тип терморецептори са локализирани в преоптичната зона на хипоталамуса (централната зона) и реагират на промени в кръвната температура над 0,1 ° C. Тук преобладават термичните рецептори. Вторият тип терморецептори са локализирани в кожата (периферна зона) и реагират на промените в температурата на външната среда. В тази зона преобладават студовите рецептори. Хипоталамусните центрове на терморегулация могат да бъдат възбудени и от прякото действие на бактериални токсини и хипертонични разтвори, което води до постоянно повишаване на температурата на цялото тяло (треска).
Центровете на терморегулация са в състояние да извършват еферентни влияния с помощта на чисто невропроводими механизми (например мускулни тремори). В същото време невроендокринните механизми могат да действат и като ефекторна връзка на рефлексите на терморегулация. Сред невроендокринните функционални системи, които активно участват в процесите на пренос на топлина, на първо място са симпато-надбъбречните, хипоталамо-хипофизарно-щитовидната, хипоталамо-хипофизно-надбъбречните системи. Невроендокринните пътища на терморегулация обхващат предимно процесите на "несъкратителната" топлопродукция в мускулите и другите тъкани, а хормоналните ефекти са относително разтегнати във времето и се развиват след чисто рефлекторни процеси. Обърнете внимание, че катехоламините регулират преноса на топлина, като също така засягат кръвообращението.
Очевидно общата и основна (макар и не единствената) точкаКрайният ефект на хормоните върху производството на топлина е промяна в интензивността на окислителните процеси в тъканите. Установено е, че по време на тъканното дишане, осъществявано от клетъчните митохондрии, само приблизително 30% от освободената енергия се натрупва под формата на макроергични химични връзки на АТФ (фиг. 101). По-голямата част от енергията на окисление не е свързана с фосфорилирането и се отделя под формата на топлина (Скулачев, 1962, 1969). Очевидно в тялото на топлокръвните животни свободното окисление не е просто „загуба“ на енергиен обмен, то е адаптивно по природа
| ADP+Fn |
окисляване
оксид
Kok, Bock и Ams, Buses са донори и акцептори на електрони на дихателната верига на субстрати A и B
и се използва за стабилизиране на телесната температура, компенсира преноса на топлина.
По този начин в процеса на адаптиране към студа се наблюдава увеличаване на консумацията на кислород и повишаване на термогенезата в редица тъкани (калориен ефект). Обратно, при условия на прегряване на тялото, тъканното дишане и производството на топлина се инхибират (Slonim, 1953; Potter, 1958; Skulachev, 1969). Степента на адаптация на тялото към дългосрочни промени в температурата на околната среда обикновено е пропорционална на степента на промяна в потреблението на кислород и производството на топлина от тъканите. Последното от своя страна до голяма степен зависи от състоянието на гореспоменатите ендокринни функции.
Секреторната активност на щитовидната жлеза е пропорционална насе увеличава при охлаждане. Така че, при дълбоко охлаждане на тялото, секрецията на TSH и T4 може да се увеличи вече след това
2 часа 4-9 пъти (Takeuhi et al., 1977). При прегряване активността на хипоталамо-хипофизната жлеза на рно-щитовидната система е значително намалена. Тиреоидектомията или прилагането на тиреостатици (например метилтиоурацил) не само намалява скоростта на тъканно дишане и основния метаболизъм до 50% от нормалното ниво, но също така рязко потиска способността на тялото да се адаптира към колебанията в температурата на околната среда и преди всичко към студа. При хипотироидни животни се развива хипотермия по време на охлаждане, което често води до смърт. Подобна картина се наблюдава при хора, страдащи от тежки форми на патологичен хипотиреоидизъм. В същото време въвеждането на Т3 и Т4 в хипотиреоидния организъм нормализира процесите на окисляване и термогенеза в зависимост от дозата или повишава нивото им над нормалните стойности. При хипертиреоидизъм (излишък на хормони на щитовидната жлеза в организма) при хора и стомаха-
nyh основният метаболизъм и тъканното дишане могат да се увеличат в сравнение с нормата с 8 или повече пъти. В условията на тиреотоксикоза тялото е склонно към хипертермия и устойчивостта към високи температури намалява. Премахването на тиреотоксичното състояние, нормализиране на нивото на Т3 и Т4 в кръвта, също променя процесите на термогенеза (Pit-Rivers, Tata, 1959; Golber, Kandror, 1972).
Очевидно катехоламините действат в същата посока като хормоните на щитовидната жлеза по отношение на енергийния обмен и температурната адаптация (Orbeli, 1938; Beviz et al., 1968). Калоригенното действие на тези хормони е по-малко ефективно от действието на Т3 и Т4 и не е еднакво изразено в различните тъкани. Техните ефекти обаче се развиват много по-бързо от ефектите на йодотиронините и очевидно имат други пътища.внедряване в целевите клетки (виж по-горе). Интересното е, че Т3 и Т4 позволяват ефектите на катехоламините. На свой ред, стимулиращите термогенезата кортикостероиди най-вероятно влияят върху тъканното дишане не толкова сами по себе си, колкото чрез разрешаване на ефектите на катехоламините и, вероятно, на хормоните на щитовидната жлеза. В динамиката на температурния стрес разглежданите ендокринни функции взаимодействат помежду си на различни нива на тяхната организация по сложен и многопосочен начин в зависимост от етапа на стреса и функционалното състояние на подсистемите. По този начин, на различни етапи от развитието на термичната адаптация на тялото, връзката между хипоталамо-хипофизно-надбъбречните и тиреоидните системи може да бъде или изцяло синергична, или частично или напълно антагонистична (Robu, 1982).
Във връзка с адаптивната роля на свободното окисление в хормонално зависимите процеси на терморегулация, възниква въпросът дали насочените промени в производството на окислителна топлина са резултат само от промяна в общата интензивност на тъканното дишане, без да се нарушава свързването на окислението и фосфорилирането, или до известна степен се дължат на промени в механизмите на свързване на енергията на електронен транспорт и синтеза на АТФ? С други думи, възниква въпросът за възможността и необходимостта от разединяване на окислението и фосфорилирането в реакциите към хормоните по време на температурната адаптация.
Въз основа на понякога противоречиви експериментални данни се смята, че разединяването на окисляването и фосфорилирането в някои тъкани може да играе определена роля в стимулирането на термогенезата при условия на студена адаптация. По този начин е доказано, че по време на студената адаптация на топлокръвните животни усвояването на кислород естествено се увеличава в различни тъкани и техните изолирани митохондрии. Въпреки това, в черния дроб студеностимулирането на дишането, очевидно, не е придружено от разединяване: коефициентът на фосфорилиране P: O в митохондриите (концентрацията на естерифициран неорганичен фосфор на мол абсорбиран кислород) остава приблизително 2-3. В същото време в скелетната мускулатура скоро след началото на престоя на животните на студено настъпва значително намаляване на коефициента Р : О, съпроводено с усилване на дишането и топлоотделянето (Скулачев, 1964, 1969).
Разединяването на дишането и фосфорилирането в мускулите е още по-изразено при многократно излагане на студ. Показано е, че степента на дисоциация корелира добре с устойчивостта на животните към първично и повторно охлаждане. Колкото по-висок е процесът на дисоциация, толкова по-добре и по-дълго животното поддържа постоянна телесна температура. Студеното обучение едновременно намалява конюгацията, увеличава производството на топлина и т.н. повишава устойчивостта на животните към продължително охлаждане. Оказа се също, че синтетични разединители като динитрофенол (ДНФ) в определени концентрации имат благоприятен ефект върху студовата адаптация на животните (Скулачев, 1969). За разлика от охлаждането, излагането на високи температури подобрява конюгацията и намалява производството на топлина в мускулите и другите тъкани (Kassuto, 1968).
Според данните за промените в интензивността на дишането и фосфорилирането в различни тъкани при условия на студена аклиматизация, степента на усилване на тъканното дишане, разединяване и термогенеза обикновено зависи от съдържанието на свободни мастни киселини в клетките и техните митохондрии. Митохондриите, изолирани от мускулите на охладени животни или кафявата тъкан и черния дроб на животни, събуждащи се от зимен сън, съдържат повишено количество NEFA. Тъй като последните, както показват специални експерименти, имат мощенразединяващ ефект (макар и при много високи концентрации), се предполага, че включването на NEFA в митохондриалните мембрани може да бъде крайната връзка в сложна верига от процеси, водещи до студено разединяване и, следователно, температурна адаптация (Skulachev, 1969; Himms-Hagen, 1969, 1970).
По този начин горните данни очевидно показват, че промяната в интензивността на свободното окисление в процесите на терморегулация е резултат не само от промяна в общата активация на клетъчното дишане, но и следствие от разединяването на енергията на окисление и окислително фосфорилиране. С други думи, промяната в нивото на конюгация в процесите на топлообмен може да играе, в определени граници, необходимата адаптивна роля, активно превключвайки енергийните реакции от образуването на АТФ към термогенезата. Не бива обаче да мислите, че процесът на разединяване изчерпва регулираното генериране на топлина в тъканите, особено след като стимулирането на тъканното дишане при всякакви условия увеличава производството на топлина и е механизъм за компенсиране на намаляването на синтеза на АТФ и неговия засилен разпад. Абсолютното количество на АТФ в клетките при условия на студена адаптация или под действието на хормони се увеличава, а респираторният контрол (инхибиране на дишането на АТФ и стимулиране на дишането на АДФ) в някои случаи не се увеличава, а отслабва (Kandror, 1967, 1973).
В процеса на температурна адаптация, регулиран от хормонални системи, вероятно паралелно и последователно се включват различни фактори, които модифицират окислителните процеси и термогенезата: мобилизиране на енергийни ресурси от депото и особено тяхното използване; синтез на функционални и структурни протеини на митохондриите, които осигуряват образуването на енергия в клетката; нивото на конюгиране на окисление и фосфорилиране. Предполага се, че степентаУчастието на всеки от тези фактори в регулацията на топлопродукцията зависи от вида на клетките, продължителността на адаптационния процес, характера на действието на един или друг хормон, участващ в регулаторния процес.
Анализът на механизмите на влиянието на хормоните върху адаптивната термогенеза показва следното. Катехоламините на симпатико-надбъбречната система, най-вероятно, чрез увеличаване на образуването на сАМР в бяла и кафява мастна тъкан, причиняват относително бързо повишаване на липолизата и след това повишаване на концентрацията на NEFA в кръвта и клетките. Натрупването на NEFA в различни клетки, от една страна, увеличава доставката на субстрати за дишане и, от друга страна, намалява конюгацията (Beviz et al., 1968). Смята се, че и двата ефекта на епинефрин и норепинефрин, както и ефектът им върху глюкозата и използването на NEFA, стимулират свободното окисление и термогенезата. Катехоламините, чрез сАМР, очевидно също са способни директно да стимулират тъканното дишане и производството на топлина чрез увеличаване на активността на един от ключовите ензими на цикъла на Кребс, изоцитрат дехидрогеназа, в различни тъкани, без разединяване на окисляването и фосфорилирането (Kulinsky, 1976).
Вече беше казано, че кортикостероидите най-вероятно регулират термогенезата не толкова сами по себе си, колкото като разрешаващи фактори, както и като стимулатори на липолизата и мобилизацията на NEFA.
Според съвременните концепции симпатико-надбъбречната система участва в относително бързи адаптивни процеси, които се развиват в отговор на температурните ефекти. В същото време системата хипоталамус-хипофиза-щитовидна жлеза участва главно в регулирането на сравнително дългосрочно преструктуриране на топлообмена. Взаимодействието на хормоналните системи в процесите на терморегулация, очевидно, се осъществява както на нивохипоталамични центрове, и на ниво прицелни клетки.