Трусливый заяц и "стрессовый гормон" адреналин

Говорят, что зайцы трусливы от природы. Между тем поведение зайца-трусишки оптимально соответствует его возможностям в борьбе за существование. Неожиданно вспугнутый собакой или лисой он просто должен как более слабый молниеносно пуститься наутек. В момент опасности его организм мобилизует все резервы сил. Часто можно слышать также рассказы о людях, которые в критических ситуациях "превзошли самих себя" и показали такие физические результаты, которые им самим в обычных условиях показались бы фантастическими. У спортсмена, приготовившегося к бегу на 100-метровую дистанцию, в момент старта в течение нескольких секунд в сто раз ускоряются энергодающие процессы, чтобы привести мышцы в движение.

Во всех этих стрессовых ситуациях по команде нервной системы происходит выброс гормонов в кровь. Особую роль при этом играет синтезируемый в мозговом слое надпочечников адреналин, который поступает в кровь в стрессовых ситуациях. При раздражении и страхе содержание адреналина в крови повышается. Кстати, живущие в густо населенных районах зайцы, подвергающиеся более продолжительным стрессам, должны иметь большие по размеру надпочечники, чем их сородичи, живущие в более спокойных местностях. Адреналин не только повышает кровяное давление и ускоряет частоту сердечных сокращений ("ритм галопа"), но и прежде всего мобилизует резервы сахара в организме - повышается содержание глюкозы в крови.

Глюкоза накапливается в организме (главным образом в печени и мышцах) в виде гликогена - линейного полисахарида, состоящего из глюкозных остатков. Одна молекула гликогена содержит примерно 10000 молекул глюкозы. Расщепление гликогена катализируется гликогенфосфорилазой. По мере необходимости она расщепляет гликоген до глюкозы^*.

^* (Строго говоря, при расщеплении гликогена образуется сначала не глюкоза, а глюкозо-1-фосфат, который превращается в глюкозо-6-фосфат, а последний расщепляется фосфатазой на глюкозу и фосфатную группу.)

Как же может находящийся в крови гормон, такой, как адреналин, регулировать работу фермента в клетке, а именно гликогенфосфорилазы? Сам адреналин вообще не попадает в клетки печени и мышц. Гормон связывается, на клеточной поверхности по принципу "ключа и замка" с белком, который он "узнает" (белком-рецептором). В результате связывания адреналина активируется фермент аденилатциклаза, которая соединяется с белком-рецептором и проникает внутрь клетки. Механизм активации фермента адреналином до конца еще неясен. Аденилатциклаза превращает носитель энергии в клетке аденозинтрифосфат (АТФ) в циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). цАМФ выполняет роль вещества-посредника.

С образованием цАМФ приходит в движение лавина реакций, нарастающая как снежный ком. Активируется протеинкиназа, переносящая фосфатные группы от АТФ на другие ферменты. Таким образом, химически превращенные ферменты меняют свою активность: одни из них активируются присоединенными фосфатными группами, а другие, наоборот, ингибируются. Протеинкиназа выполняет двойную функцию. Она инактивирует фермент (гликогенсинтетазу), регулирующий новообразование гликогена из глюкозы в клетках печени. Одновременно, однако, протеинкиназа активирует до того неактивную киназу фосфорилазы. Последняя активирует далее (также путем переноса фосфатных групп) прежде неактивную гликоген - фосфорилазу, которая отщепляет, наконец, глюкозные остатки от гликогена.

Следовательно, благодаря целесообразному взаимосогласованию прямых и обратных химических реакций под действием протеинкиназ, активированных большими количествами цАМФ, появившимися под влиянием адреналина, происходит, с одной стороны, ускорение расщепления гликогена до глюкозы, а с другой - подавление новообразования гликогена из нее. В конечном счете резко повышается концентрация глюкозы в крови.

На рис. 14 изображены все ступени этого сложного процесса. По аналогии с водопадами весь процесс часто называют ферментативным каскадом. При этом каждый предыдущий фермент активирует гораздо большее число последующих. Тем самым происходит лавинное нарастание числа активированных ферментов, так что в конце концов получается, что одна-единственная молекула адреналина активирует несколько тысяч молекул фосфорилазы, которые в свою очередь в течение нескольких секунд "высвобождают" около 3 млн. молекул глюкозы. Следовательно, смысл и цель ферментативного каскада состоят в молниеносном усилении крайне слабого сигнала в миллионы раз.

Рис. 14. Повышение концентрации глюкозы в крови при стрессе

При затухании стрессовой ситуации прекращается поступление адреналина в кровь. цАМФ ферментативно расщепляется, и все ферменты после отщепления фосфатных групп вновь возвращаются в исходное состояние. Глюкоза опять переводится в свою запасную форму - гликоген. Концентрация глюкозы в крови и клетке снижается и нормализуется. Между прочим одна из причин возбуждающего действия на организм кофе и чая состоит в том, что кофеин и теофиллин подавляют фосфодиэстеразу, фермент, расщепляющий цАМФ и тем самым продлевают или усиливают стимулирующее действие адреналина.

Рис. 15. Принцип каскадного механизма активации ферментов. Каждая молекула фермента активирует большое число последующих ферментов, Таким образом в конечном счете слабый сигнал может быть усилен в миллионы раз

По-видимому, "неторопливое" образование ферментов первоначально в виде неактивных предшественников, а затем по мере надобности их молниеносная активация в результате химических изменений - это широко распространенный у живых существ регуляторный принцип. Так образуются пищеварительные ферменты в клетках слизистой оболочки желудка и поджелудочной железы. Поскольку они могут стать очень опасными для своих "материнских клеток", пищеварительные ферменты синтезируются в неактивной форме (проферменты, зимогены). Для этого при их синтезе на рибосомах "навешиваются" дополнительные звенья белковой цепи, которые маскируют активный центр. Лишь после того, как фермент покинет место синтеза, они отщепляются в желудке или кишечнике под действием других ферментов. Тогда может образовываться активный центр (рис. 16). С помощью такой "уловки", с одной стороны, клетки слизистой желудка и поджелудочной железы защищают себя от собственных "высоковзрывоопасных" продуктов, а с другой стороны, исключается возможность того, чтобы ферменты сразу после своего "рождения" "зверски сгрызли" друг друга.

Рис. 16. Активация пищеварительных ферментов в желудочно-кишечном тракте. Образовавшийся в материнских клетках неактивный профермент активируется путем отщепления фрагментов полипептидной цепи лишь в месте его действия