ЗАЩИТНЫЕ БАРЬЕРЫ ОРГАНИЗМА

Когда говорят об уникальной способности человеческого организма противостоять многочисленным болезнетворным бактериям и вирусам, то его иногда сравнивают с неприступной крепостью с несколькими защитными рубежами.

Первыми встречают непрошеных гостей кожа и слизистые оболочки. Это довольно серьезное препятствие для многих микроорганизмов. Например, кожа имеет специальную систему, благодаря которой она освобождается от попавших на ее поверхность бактерий и микробов. Занимаются этой работой сальные и потовые железы. Они выделяют молочные и жирные кислоты, которые понижают водородный показатель (pH) до 5,5. В результате поверхность кожи становится кислой, а такая среда для жизни большинства микробов является абсолютно непригодной.

Защищают наше тело от болезнетворных агентов и эпителиальные клетки, которые выстилают желудочно-кишечный тракт, дыхательные пути, каналы выделительной системы. Например, в слизистой оболочке желудочно-кишечного тракта имеются вещества, убивающие вредную микробную флору. В желудке на опасных «пришельцев» воздействует желудочный сок, содержащий соляную кислоту.

Кроме того, снаружи нашего тела и внутри него постоянно присутствуют различные микроорганизмы, в совокупности называемые микрофлорой. Так, в кишечнике имеется огромное количество бактерий, которые, постоянно проживая там, не только не вредят нашему организму, а, наоборот, чаще всего помогают ему нормально функционировать, убивая враждебных микроскопических пришельцев.

Кожа тоже имеет своих «постоянных обитателей», занятых обороной нашего организма. Они, например, вполне успешно противостоят такому опасному противнику, как возбудитель сибирской язвы. А обитающие в верхних дыхательных путях пневмококки эффективно борются с вирусами гриппа. У женщин нормальная микрофлора влагалища представлена шестью видами бактерий, формирующих среду, в которой не могут жить другие микроорганизмы.

Центральный орган иммунной системы – тимус, или вил очковая железа

А в слюне и в слезах содержатся особые белковые вещества, которые тоже смертельны для многих микробов.

Но нередко микробы и вирусы все же прорываются через наружные защитные барьеры. И тогда на защиту организма встает иммунная система. Ее основная задача заключается в том, чтобы распознать и удалить из тела все чужеродные биологические объекты: микробы, вирусы, грибки и даже собственные клетки и ткани, если они изменятся и станут опасными.

В иммунную систему входят различные по своему строению и функциям органы, ткани и клетки. Но, несмотря на это, все ее составляющие являются единым целым, а основные защитники имеют и общую родословную.

Корни иммунной системы находятся в не совсем обычном месте: внутри костей. Да, да, именно отсюда она берет свое начало, развиваясь из костного мозга.

Закладывается он у эмбриона в конце второго месяца развития, и к тому моменту, когда ребенок появляется на свет, заполняет все полости костей. А многочисленные кровеносные сосуды, его пронизывающие, придают костному мозгу красный цвет. Костный мозг выполняет в организме очень важную и ответственную функцию – он производит клеточные элементы крови: эритроциты, лейкоциты, тромбоциты.

Но свой кроваво-красный цвет костный мозг сохраняет недолго. Практически сразу после рождения (в первые 6 месяцев) в костном мозге начинают зарождаться первые жировые клетки. А уже к 20–25 годам желтым костным мозгом оказываются фактически полностью заполненными все костномозговые полости диафизов длинных трубчатых костей.

Красный костный мозг – по сути, центральный орган иммунной системы человека. У взрослых людей он концентрируется в ячеистых структурах лопатки, костей таза и других плоских костях. Кроме того, он находится внутри губчатых костей – грудины, позвонков и т. д., а также в концевых участках трубчатых костей. Общий вес костного мозга достигает 1,5 килограмма.

Появляется красный мозг из миелоидной ткани, в которой находятся небольшие, диаметром 8–10 микрон, стволовые кроветворные клетки, которые, по сути, являются прародителями всех форменных элементов крови. Затем эти элементы током крови доставляются в органы иммунной системы, в которых происходит их дальнейшая специализация.

Прибыв на место, стволовая клетка продолжает свое развитие, которое может идти в одном из двух направлений.

Первый из них – это превращение в В-лимфоциты. Это их название связано со специальным органом у птиц, в котором эти клетки достигают состояния зрелости. Называется он сумкой Фабрициуса и состоит из участка лимфатической ткани в стенке клоаки. А сумка по латыни «bursa». По первой букве этого слова лимфоциты и получили свое наименование.

Аналогичный орган анатомы и физиологи пытались обнаружить и у человека. Но так и не нашли. По этой причине возникло предположение, что аналог «бурсы» находится в костном мозге. А возможно, он представлен лимфатическими узелками, находящимися в подвздошной кишке или в червеобразном отростке – аппендиксе.

Что же касается структуры и роли В-лимфоцитов в организме, то это маленькие клетки диаметром 8,5 микрона, с расположенным внутри ядром. Они являются основными участниками иммунологических реакций особого, так называемого гуморального типа, главная обязанность которого – своевременная и эффективная защита организма от различных микроорганизмов.

Стволовые клетки, оказавшись в органах иммунной системы, могут дифференцироваться и в иной тип клеток-защитниц – в Т-лимфоциты. Но для того, чтобы превратиться в Т-лимфоцит, стволовой клетке необходимо попасть в другой центральный орган иммунной системы – тимус, который нередко называют вилочковой железой. Это – мягкое образование светло-желтого цвета, которое находится в грудной полости, за верхней частью грудины. Состоит тимус из двух разных по форме и размеру частей, плотно прилегающих одна к другой.

В человеческом организме появляется он на первом месяце развития человеческого эмбриона. У появившегося на свет младенца вес тимуса достигает 12 граммов. С каждым годом его масса постепенно увеличивается, и у половозрелого человека тимус весит приблизительно 35–40 граммов.

И вдруг на пике развития в тимусе начинают происходить странные метаморфозы: он начинает терять вес, а его ткань заполняется жировыми клетками. Причем эти процессы происходят довольно быстро, и к 25 годам тимус весит уже около 25 граммов. В пожилом возрасте его масса еще меньше – примерно 15 граммов. А у стариков он вообще превращается в карлика весом около 6 граммов, то есть в два раза легче, чем у младенца.

Состоит тимус из следующих структурных элементов. Снаружи он покрыт соединительно-тканной капсулой. Отходящие вглубь от нее тяжи – септы – делят вил очковую железу на небольшие дольки. Под капсулой находится наружный корковый слой с огромным количеством делящихся лимфоцитов. Глубже располагаются еще два слоя: собственно корковое вещество тимуса и мозговое.

По мере того, как мелкие лимфоциты достигают зрелости, они перемещаются из коркового слоя в мозговой. Часть лимфоцитов в этом участке тимуса и гибнет. В то же время другие продолжают свое развитие и на различных стадиях, вплоть до полностью зрелых Т-клеток, выходят из тимуса в кровеносную и лимфатическую системы, по которым и циркулируют по всему организму.

Кроме лимфоцитов, в вил очковой железе в незначительном количестве присутствуют и другие клеточные элементы иммунной системы: клетки-пожиратели инородных элементов – макрофаги и нейтрофилы, занятые в аллергических реакциях организма – эозинофилы, и высокоспециализированные иммунные клетки, называемые тучными, которые участвуют в адаптивном иммунитете.

Итак, тимус – центральная структура иммунной системы, занятая производством Т-лимфоцитов, название которых, о чем нетрудно догадаться, происходит от первой буквы слова «тимус». Основная функция Т-лимфоцитов – «борьба» с чужеродными элементами и осуществление контроля над выработкой антител против болезнетворных агентов.

Следует иметь в виду, что количество лимфоцитов в вил очковой железе напрямую зависит от времени суток. Действительно, днем и ночью их в тимусе больше, а вечером и утром – меньше. Связано это с тем, что в утреннее и вечернее время они перемещаются в кровяное русло.

Любопытным является и тот факт, что клетки вилочковой железы полностью обновляются в течение всего лишь 4–6 дней.

 

УДИВИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОРЕАНИЗМА

Кровь – это особая жидкость, которая «кормит» все ткани и органы нашего тела, а также доставляет необходимый для обменных реакций кислород.

Но, кроме крови, есть в нашем теле еще одна жидкость, которая занята тем, что создает в нашем организме здоровую и чистую внутреннюю среду. Это лимфа – жидкость, которая окружает и омывает все клетки нашего тела. Перемещается она по лимфатической системе, от функционирования которой зависит иммунитет человека. А иммунитет – это жизнь!

А очищает лимфатическая система наш организм следующим образом. Из межклеточного пространства в лимфу стекается лишняя жидкость, а также продукты обмена веществ и остатки разрушившихся клеток. Кроме того, в нее попадают бактерии, продуцируемые ими токсины, а также многие другие вещества. Все они по лимфатическим сосудам доставляются в лимфатические узлы, которые находятся во многих местах человеческого организма.

Сосуды и капилляры лимфатической системы имеют довольно оригинальное строение. У всех у них имеются клапаны, которые пропускают лимфу только в одном направлении – от периферии к лимфатическим узлам.

В них находится своего рода ферментная база лимфоцитов-макрофагов.

Можно сказать, что лимфоузел – это крохотная комнатушка, в которой находят пристанище живые макрофаги, Т-лимфоциты, В-лимфоциты.

Именно эти труженики профильтровывают лимфу, уничтожая всех вредоносных организмов, которые в ней собрались: микробов, вирусов, простейших. Очищенная лимфа перемещается дальше, и в нее, как в русло огромной реки, впадают «ручейки» этой чудодейственной жидкости из всех тканей и систем тела.

Микрофотография строения лимфатического узла

Скорость, с которой лимфа перемещается по сосудам, очень незначительная: всего 4 миллиметра в секунду. В то же время скорость движения крови в аорте, а также в других крупных кровеносных сосудах составляет 40–50 сантиметров в секунду.

«Нагруженная» токсичными веществами лимфа передвигается к местам их эвакуации наружу. Первым из этих пунктов является влагалище у женщин и уретра – у мужчин.

Вторые «ворота» выброса – кишечник. В нем – больше всего лимфоузлов: их десятки тысяч. Через него выделяется огромное количество ядов!

Третий «шлюз», через который сбрасываются вредные вещества, – это потовые железы, особенно те, которые расположены в подмышечных впадинах. Поэтому человеку и необходимо потеть, поскольку все яды организм как раз и выводит через кожу.

Но этими зонами выброса токсинов человеческое тело не ограничивается. Для этих целей служат еще и нос, и миндалины, гортань, трахея и бронхи, а также – легкие. В голове же находятся еще одни ворота, через которые организм освобождается от ненужных и вредных веществ и микроорганизмов. Правда, здесь присутствуют не лимфатические сосуды, а чуть ли не целые озера лимфы, откуда она, как водопад, стекает вниз.

После того, как лимфа пройдет очистку и «дезинфекцию» во всех вышеперечисленных пунктах, она попадает в венозное русло и смешивается с венозной кровью, в результате чего лимфа очищает также и ее…

Ученые уже давно установили наличие в грудной полости человека тонкостенного сосуда – грудного протока, к которому со всех тканевых структур организма поступает лимфа. Этот проток – самое крупное полое образование лимфатической системы. Он имеет десять клапанов, которые поддерживают перемещение лимфы лишь в одну сторону – снизу вверх.

Так вот, долгое время среди анатомов и физиологов существовало твердое убеждение, что этот орган выполняет функции своеобразного лимфатического коллектора: поступающая в этот сосуд лимфа в результате сокращения дыхательных мышц и сердца направляется в вены.

Однако позже выяснилось, что грудной проток проявляет еще и определенную активность: он постоянно пульсирует. По сути, его работу вполне можно сравнить с деятельностью сердца. И, как и сердце, лимфатический сосуд находится в постоянной работе. Причем функционирует он независимо от дыхательного или сердечного ритмов.

К тому же в течение суток этот орган перекачивает 5–6 литров жидкости. И вся эта лимфа в течение этого времени посещает грудной, то есть основной лимфатический проток всего только 6 раз в сутки, в то время как кровь полный оборот совершает за 20–25 секунд.

С годами скорость движения лимфы по сосудам уменьшается. И связано это, прежде всего, с тем, что с возрастом снижается тонус кровеносных сосудов, да и мышцы человека теряют прежнюю активность.

Если лимфатическая система работает некачественно, в организме возникает ряд проблем. Так, межклеточная жидкость, которая проникает из вен в ткани, сдавливает кровеносные сосуды. А это, в свою очередь, приводит к тому, что их просвет уменьшается, а значит, в клетки не поступают в необходимом количестве питательные вещества и кислород. Кроме того, в организме появляется лишняя жидкость, которая застаивается в лимфатических узлах и в итоге «засоряет» их конечными продуктами обмена и токсическими соединениями.

Накопление всех этих «технологических» отходов приводит к появлению и развитию многочисленных недугов: хронической усталости, частым головным болям, плохому сну, то есть всему букету признаков, сопутствующих интоксикации организма, или, как иногда говорят, чрезмерному накоплению шлаков в организме.

Однако интоксикацией проблемы человека с плохо работающей лимфатической системой не ограничиваются. Ведь эта система отвечает и за иммунитет. Поэтому при сбоях в ее работе даже незначительная инфекция ведет к развитию болезней…

 

ЗАГАДКИ ИММУНИТЕТА

Иммунная система – сложнейшая многоуровневая биологическая конструкция животных и человека, которая не только поддерживает постоянство внутренней среды организма, но и защищает его от чужеродных агентов и собственных «некачественных» клеток.

Изучает эту уникальную защитную систему организма иммунология – наука, возникшая около ста пятидесяти лет назад. И ее основателем считается великий французский микробиолог Луи Пастер…

Уже давно было замечено, что во время опустошительных эпидемий чумы, черной оспы или холеры находились люди, которых эти страшные болезни совершенно не трогали. Это могло означать лишь то, что в организме человека имеется механизм, который препятствует вторжению извне болезнетворных агентов. Именно его впоследствии и назвали иммунитетом.

В ходе исследования этой защитной структуры было установлено, что в организме существует две формы иммунитета: врожденный и приобретенный. Вот только никто из исследователей не знал, насколько каждый из них важен для организма. На этот вопрос в начале прошлого века и попытались ответить два выдающихся ученых – немецкий бактериолог Пауль Эрлих и русский ученый Илья Мечников.

И. Мечников открыл фагоцитоз – процесс, при котором специальные клетки, называемые макрофагами и нейрофагами, захватывают и уничтожают чужеродные агенты, в том числе и микроорганизмы. На основании многочисленных экспериментов ученый пришел к выводу, что именно этот механизм создает защитный барьер на пути различных патогенов и, таким образом, является главным в иммунной системе.

Луи Пастер – основатель иммунологии. Портрет из английского журнала XIX в.

В свою очередь, в 1901 году Эрлих выдвинул гипотезу, согласно которой основные защитные функции в организме выполняют не определенные клеточные структуры, а особые химические соединения, которые синтезируются в крови в ответ на появление агрессора.

Таким образом, появились две модели иммунитета: фагоцитарная, которую выдвинул в 1887 году И.И. Мечников, и гуморальная, предложенная П. Эрлихом.

Но это были всего лишь первые камешки в огромном здании современной иммунологии, которое строили и продолжают строить многие выдающиеся ученые.

В ходе многочисленных исследований иммунитета было установлено немало любопытных фактов. Так, было доказано, что существует два типа белых кровяных телец: В–  и Т-лимфоциты. Именно они формируют главную линию обороны организма от вторжения в него вирусов, микробов, грибков и других чужеродных агентов.

В-лимфоциты образуют особые белковые молекулы, называемые антителами, которые, реагируя с чужеродным белком, или антигеном, нейтрализуют его активность. При этом каждый тип В-клеток продуцирует только один тип антител, и этот тип способен нейтрализовать только один тип антигенов.

А вот Т-лимфоциты борются с уже инфицированными клетками: они или уничтожают их, или же активно участвуют в выведении болезнетворного агента из организма другими путями.

При этом в том и другом случае лимфоциты «запоминают» характерные особенности чужеродного агента и при повторном его вторжении в организм проявляют еще большую активность в борьбе с ним.

Эти борцы с внешними врагами точно также расправляются и с собственными клетками и белками, которые по какой-то причине стали представлять опасность для самого организма.

Правда, изредка в иммунной системе появляются сбои, и тогда лимфоциты перестают отличать свои белки от чужих и начинают уничтожать собственные, причем здоровые клетки…

Но как же все-таки иммунные клетки отличают вражеские микротельца от таковых собственного организма? В 1989 году ответить на этот вопрос попытался американский иммунолог Чарльз Джэнуэй. Он выдвинул идею, что клетки человека, отвечающие за иммунитет, имеют особые рецепторы, с помощью которых они определяют специфические структурные особенности патогенных микроорганизмов и включают соответствующие защитные реакции.

Но так как патогенных микроорганизмов насчитывается великое множество, Джэнуэй предположил, что рецепторы могут распознавать определенные химические структуры, которые свойственны целой группе патогенов.

А вскоре профессор Йельского университета Руслан Меджитов и впрямь обнаружил эти гипотетические рецепторы на клетках человека. Их оказалось не менее десятка. И каждый из этих «наблюдателей» реагирует на определенную группу болезнетворных агентов. Так, одни рецепторы проявляют активность при появлении грамотрицательных бактерий, а другие, наоборот, – грам-положительных.

Такими рецепторами оснащены почти все типы клеток: даже клетки кожи и эпителия. Но в первую очередь ими обзавелись фагоциты – клетки, отвечающие за врожденные защитные реакции организма.

А поскольку оболочки бактерий строятся при участии ферментов, которые у человека отсутствуют, то соединения, входящие в состав бактериальных стенок, – это именно те химические структуры, которые являются идеальными маркерами возможной инфекции. И как раз для распознавания этих маркеров в процессе эволюции и появились рецепторы-контролеры.

С другой стороны, микроорганизмы, которые являются симбионтами человека, через эти рецепторы посылают организму некие сигналы, смысл которых еще не полностью расшифрован. Но, тем не менее, уже известно, что уровень этих сигналов играет довольно важную роль. И если он недостаточно качественен (например, когда в результате злоупотребления лекарственными препаратами в пищеварительном тракте уменьшается количество бактерий), то это может привести к развитию онкологических заболеваний кишечника…

Но ученые не ограничились изучением иммунитета лишь у человека. Когда они обратили внимание на защитные механизмы у других живых организмов, то обнаружили, что приблизительно у 98 % обитателей нашей планеты вообще отсутствует приобретенный иммунитет, и появляется он только у рыб.

Но ведь у всех этих многочисленных существ тоже имеются враги из мира микроорганизмов, они также болеют, и на них обрушиваются эпидемии. Но, тем не менее, эти виды животных выживают.

Что же помогает этим организмам противостоять внешним и внутренним врагам? Долгие годы ответить на этот вопрос биологи не могли.

Но вот недавно выяснилось, что иммунитет – это не только синтез антител и усиление защитной деятельности фагоцитов. Оказывается, растения и многие животные борются с болезнетворными микроорганизмами при помощи еще одного «оружия» – пептидов. Причем сравнительный биохимический анализ противомикробных пептидов растений, простейших, насекомых и высших животных, в том числе, и человека, отчетливо показал, что они довольно близки по структуре.

Это позволило предположить, что данная группа пептидов является самой древней защитой организма от различных болезнетворных агентов, которая сохранилась практически в первоначальном виде даже у высших животных, имеющих высокоразвитую иммунную систему.

Вообще-то противомикробные соединения известны давно. Они представляют собой небольшие белковые молекулы, в состав которых входит до 40 аминокислот. Например, в настоящее время широко применяются в медицине как растительные антимикробные пептиды, так и пептиды из пчелиного яда.

В первое время большинство ученых считало, что противомикробные пептиды вырабатывают только те из организмов, у которых отсутствует развитая иммунная система.

Однако в 1988 году было установлено, что и млекопитающие, в том числе, и люди, тоже могут синтезировать похожие вещества. Причем осуществляются эти процессы обычно в области кишечника, респираторного тракта и мочеточников. Более того, синтез пептидов не прекращается даже тогда, когда организм пребывает в более-менее «спокойном» состоянии. Если же в нем появляются очаги воспаления или же в результате патогенных процессов повреждаются ткани и органы, то происходит значительное увеличение этих соединений.

И тогда иммунологи предположили, что у высших позвоночных противомикробные пептиды – это своего рода атавизм. Однако потом все же было опытным путем доказано, что они необходимы и организму млекопитающих. Соответствующие эксперименты были проведены в 1999 году американскими учеными. В ходе этих исследований подопытным мышам «отключили» ген, отвечающий за синтез фермента, стимулирующего производство противомикробного пептида в тонком кишечнике. Оказалось, что такие мыши намного быстрее подвергались кишечным заболеваниям и значительно чаще от них умирали.

Но вот как противомикробные пептиды умудряются быстро и качественно уничтожать бактерии, пока остается загадкой. Хотя уже доказано, что в основном такие пептиды воздействуют на клеточную мембрану бактерий, точнее, на двойной липидный слой мембраны.

Помимо этого стало известно, что противомикробные пептиды всегда имеют положительный заряд, в то время как оболочка бактериальной клетки несет отрицательные ионы. Поэтому очень важную роль в разрушении патогенных микроорганизмов играют взаимодействия положительно заряженных пептидов и отрицательно заряженной оболочки бактерий.

Кроме того, установлено, что заряженные и незаряженные аминокислоты в пептиде располагаются на разных его участках. Иначе говоря, заряд сконцентрирован на одном небольшом отрезке пептида. Даже создается впечатление, что пептид как будто специально собрал весь заряд в одну точку, чтобы эффективнее поразить клеточную мембрану бактерии.

Однако одними лишь электрическими «ударами» активность пептидов объяснить сложно, поскольку иногда пептиды по-разному реагируют на бактерий разных видов с одинаковыми электрическими зарядами, то есть одних они уничтожают, а к другим не проявляют ни малейшего интереса.

Кроме того, ученые пока не знают, каким образом некоторые пептиды, несущие положительный заряд, оказывают разрушающее воздействие на клетки млекопитающих, оболочки которых лишены всякого заряда.

Особенно загадочным представляется ученым тот факт, что даже в том случае, если пептиды разрушают клетки высших животных, клетки «хозяина» они никогда не поражают.

Немаловажную роль в разрушении бактерий играет и тот момент, что молекулы почти всех известных противомикробных пептидов в липидной клеточной мембране бактерий превращаются из линейных в правосторонние спиральные. Скорее всего, благодаря такой структуре пептид более эффективно и пронзает мембрану микробной клетки…

В иммунной системе, как и в любой из систем организма, иногда случаются сбои: некоторые лимфоциты по неизвестным причинам начинают вдруг реагировать на собственные клетки и ткани, как на чужеродные тела. Правда, на этот случай в вилочковой железе присутствует особый механизм, благодаря которому эти лимфоциты уничтожаются.

И, тем не менее, некоторые из них гибели избегают. И опять же, для таких ситуаций существует еще один страховочный механизм, который тоже борется с взбунтовавшимися клетками. Это – сметема периферической толерантности, представленная дендритными клетками, имеющими короткие закругленные отростки.

Эти клетки находятся в различных тканях, но в основном в коже и слизистых оболочках. Они поглощают чужеродные частицы, включая микробы, расщепляют на фрагменты (антигены) и размещают их на своей клеточной поверхности. Затем они перемещаются в лимфатические узлы или селезенку, где взаимодействуют с другими элементами иммунной системы, в том числе с В-лимфоцитами, производящими антитела, и с Т-лимфоцитами, убивающими микробов и зараженные клетки.

А вот при аутоиммунных заболеваниях – сахарном диабете или системной красной волчанке (СКВ) – этот механизм, скорее всего, нарушен. И впрямь, в 2001 году появились сведения, что у больных СКВ дендритные клетки в крови чрезмерно активны. Они выделяют в значительном количестве интерферон, стимулирующий дифференцировку клеток-предшественников, что приводит к быстрому созреванию прямо в кровяном русле дендритных клеток, которые начинают вдруг поглощать ДНК. В результате таких пертурбаций в организме появляются антитела против собственной ДНК. Они-то и приводят к поражению почек, суставов, сосудов и т.д.

В связи с этими данными появилось предположение, что если воспрепятствовать действию интерферона, то дендритные клетки не смогут проявить свою активность. Это значит, что появится реальная возможность не только излечивать волчанку, но и помешать отторжению чужих тканей при трансплантации органов.

 

ПАРАДОКСЫ АНТИТЕЛ

Учитывая тот факт, что для нейтрализации практически каждого антигена в организме находится соответствующее антитело, легко догадаться, что их в организме должно быть огромное количество. Но как они могут появиться в таком невероятном разнообразии?

Именно ответ на этот вопрос и попытался дать австрийский врач и иммунолог Карл Ландштейнер. В ходе многочисленных экспериментов ученый установил огромное разнообразие антител, которые появлялись у лабораторных животных.

Когда Ландштейнер присоединял короткие, полученные в лабораторных условиях молекулы углеродных колец к антигенам различных типов, и вводил эти соединения в организм кроликов и мышей, то наблюдал у этих животных появление специфических антител к этим веществам.

Правда, в самом этом факте ничего удивительного не было, поскольку иммунологи давно научились получать антитела в результате искусственной вакцинации различных животных. Поразило Ландштейнера другое: он обнаружил антитела против всех химических соединений и лекарств, которые были синтезированы в то время химиками и фармацевтами в лабораторных условиях. То есть в естественной среде эти вещества не существовали. Но, тем не менее, организм с ними боролся. То есть получалось, что млекопитающие могут вырабатывать практически бесчисленное количество разновидностей антител.

Но эти факты сразу же поставили перед учеными ряд труднообъяснимых проблем. Например: почему химические вещества, отсутствующие в природе, вызывают иммунную реакцию? Или: как могут появляться антитела, которые ранее отсутствовали у того или иного вида?

Ученые подсчитали, что для существования 1 миллиона различных антител в геноме человека должно находиться почти 2 миллиарда оснований, которые должны кодировать это их разнообразие. И даже если ограничиться только наиболее важной информацией, то это число все равно уменьшится до довольно значительной цифры, равной 600 000 000 оснований. В целом же в геноме человека содержится около 3–4 миллиардов оснований! Таким образом, даже по самым скромным подсчетам, от 15 % до 40 % всей ДНК должны кодировать только молекулярную структуру антител.

Исходя из этих цифр, иммунологи пришли к выводу, что гены, которые кодируют антитела, сохраняют информацию неким особым, отличающимся от других генов, образом. Но все по порядку.

В ходе тонких экспериментов иммунологи установили, что все антитела – это всегда белки, называемые иммуноглобулинами. Для всех них характерен схожий план строения, основу которого составляют несколько более простых единиц. Так, наиболее обычное антитело – глобулин G, в своем составе имеет две тяжелые (Н) и две легкие (L) цепочки, которые собраны в одну молекулу, и в этой единой структуре сосуществуют благодаря ковалентным дисульфидным связям.

В свою очередь, каждая из этих цепочек состоит из лабильной части (VL и VH для L–  и Н-цепей, соответственно) и постоянной (С), которая у Н-цепей разделена на несколько участков, или доменов: CH1, СН2, СНЗ. L-цепь имеет один постоянный участок – CL. При взаимодействии VH–  и VL-областей и появляются специфические особенности иммуноглобулинов.

В белковой молекуле доменов присутствуют очень изменчивые участки, для которых характерно регулярное появление в них новых аминокислот, и участки с более или менее постоянным аминокислотным составом.

Наличие переменного и постоянного участков в молекуле иммуноглобулинов дало повод американским ученым Дрейеру и Беннету еще в середине семидесятых годов прошлого века выдвинуть идею, что в синтезе тяжелой или легкой цепи белка заняты два гена – V и С.

А ведь это было очень смелое для того времени предположение, поскольку тогда в молекулярной биологии господствовала догма «один ген – одна полипептидная цепь». Но в настоящее время эта гипотеза подтвердилась, хотя и в несколько измененном виде.

Известно, что в молодых В-клетках, в формировании которых в основном заняты иммуноглобулины, или в любых других клеточных структурах организма, V–  и С-гены находятся на одной и той же хромосомной нити, но, правда, на значительном удалении один от другого.

Однако в процессе созревания В-клетокудаленные генные участки сближаются и в конце концов формируют единую информационную область. Но поскольку такое изменение положения на участке хромосом, названное рекомбинацией, происходит только в соматических клетках, а в случае с генами иммуноглобулинов – только в В-клетках, то оно будущим потомкам по наследству не передается.

Синтез тяжелых цепей иммуноглобулина контролируется тремя видами генных сегментов для V-доменов – V, D и J, и десятью – для С-области. Всего же ученые выделили около 500 V-генных сегментов, 15 D-сегментов и четыре J-сегмента.

В то же время в синтезе легких цепей заняты 250 V-гена, четыре J-генных сегмента и С-гена для постоянной части полипептида.

Изучение распределения иммуноглобулиновых генов в хромосоме и последовательности их реорганизации во время развития В-клеток дало возможность установить причину разнообразия иммуноглобулинов. Оказалось, что связана такая вариабельность этих белков с многочисленными и абсолютно случайными соединениями отдельных генных участков друг с другом во время рекомбинации хромосом: V, D, J – для тяжелых цепей и V, J – для легких цепей.

Расчеты показали, что в результате рекомбинаций количество вариантов V-доменов для тяжелых цепей иммуноглобулинов составит 120 тысяч, а для легких цепей – 2 тысячи. А поскольку конкретная молекула иммуноглобулинов образуется в ходе случайной комбинации тяжелых и легких цепей, общее число специфических иммуноглобулинов составит 240 000 000.

Некоторые же исследователи считают, что в связи с дополнительными рекомбинациями число различных вариантов может достигать сотен триллионов.

Понятно, что такое количество вариантов дает организму возможность защититься от самых разных патогенных вторжений.

Итак, антитела уничтожают всякое образование, которое не соответствует принятым в организме стандартам. С этим вроде бы все понятно. Вопрос в другом: почему у здоровых людей иммунная система практически не вырабатывает антител и киллерных Т-клеток против тканей собственного организма? А ведь химический состав белков собственного организма почти ничем не отличается от молекулярных соединений чужеродных антигенов.

Эта особенность организма названа аутотолерантностью. И открыл ее в начале прошлого столетия известный уже нам немецкий микробиолог Пауль Эрлих. А механизм, заставляющий иммунную систему организма отличать «свои» клетки от «чужих», он назвал «страхом самоотравления».

Так какие же механизмы лежат в основе аутотолерантности? Как она сохраняется на протяжении всей жизни организма? Может, мы получаем ее по наследству вместе с родительскими генами? А возможно, мы ее приобретаем со временем в ходе индивидуального развития?

Пауль Эрлих в рабочем кабинете

Однако прежде чем ответить на эти вопросы, требуется познакомиться с так называемой клонально-селекционной теорией, предложенной в 1957 году Макфарлейном Бернетом. Суть ее сводится к тому, что «одна клетка производит только одно антитело», точнее, антитела одной специализации.

Известно, что различные клетки лимфоцитов синтезируют и несут на своей поверхности разные антитела. И если структура антигена совпадает с антителом, которое произвела определенная клетка, она начинает размножаться, воспроизводя группу, или клон точно таких же клеток. При этом все клетки клона производят только узкоспециализированные антитела. В соответствии с этой теорией, в иммунной системе имеется некий механизм, обеспечивающий появление на поверхности этих клеток с направленным действием лишь одного-единственного признака, позволяющего заблокировать развитие остальных антител.

В настоящее время уже известно, что «специализация» будущего антитела, которое будет синтезировано в В-клетке, определяется в самом начале развития лимфоцита. И этому явлению Вернет нашел экспериментальное подтверждение. Кроме того, на основе этой теории он, в частности, объяснил принцип, лежащий в основе аутотолерантности. А он, согласно Бернету, довольно прост: если рецептор на поверхности молодого лимфоцита вступает в реакцию взаимодействия с собственным антигеном, клетка получает сигнал на уничтожение. А поскольку молодые лейкоциты в самом начале своего жизненного пути как раз и сталкиваются с собственными антигенами, то устранение «ненужных» клеток осуществляется именно в тех местах, где появляются новые лимфоциты.

Таким образом, лишь те лимфоциты, которым удалось выдержать этот своеобразный экзамен на качество, продолжат дальнейшее развитие и, созрев, могут связываться с инородными антигенами.

Вернет свою клонально-селекционную теорию разработал в 1957 году. В течение последующих десятилетий проводились многочисленные иммунологические эксперименты. В результате этих работ были открыты разные виды лимфоцитов и выявлена их роль в иммунных реакциях. И, тем не менее, основные положения теории Бернета до настоящего времени остаются справедливы.

 

НЕПОНЯТНЫЕ ОРГАНЫ

Эндокринная система вела настолько скрытную жизнь, что биологи узнали о ее существовании только в начале XX века. Правда, несколько раньше ученые все же установили, что в строении ряда внутренних органов человеческого организма имеются труднообъяснимые особенности.

По внешнему виду эти анатомические структуры были очень похожи на железы. А это, в свою очередь, означало, что они должны были секретировать специальные жидкости. Действительно, о том, что, например, слюнные железы выделяют слюну, а слезные – слезы, ученые знали давно.

Но эти загадочные органы никаких жидкостей не выделяли. Более того, исследователи не обнаружили в этих структурах не только жидкостей, но даже намеков на какие-либо канальцы, по которым произведенные железами секреты обычно выделяются наружу. В связи с этими наблюдениями появилось вполне правдоподобное предположение, что странные органы являются в человеческом теле лишними!

Но накапливаемые врачами и учеными факты говорили об обратном. Так, если во время операции загадочные органы травмировали или вообще удаляли, то после этого в организме человека происходили серьезные патологические изменения…

Не правда ли, странно, что медики только на заре двадцатого столетия обратили внимание на органы эндокринной системы, хотя, как утверждают ученые-историки, восточным целителям о них было известно уже давно, и их даже почтительно называли «железами судьбы».

В далеком прошлом врачи считали, что эти органы принимают из Космоса особую энергию, которая через невидимые каналы (чакры) проникает в организм человека, укрепляя его жизненные силы. Считалось также, что на гармоничное функционирование «желез судьбы» могут повлиять катастрофы, вызванные волею злого рока.

Конечно, на мнение восточных врачевателей внимания можно было и не обращать. Но точку зрения Гиппократа, который считал, что здоровье человека и его темперамент определяются особыми гуморальными веществами, необходимо было учитывать.

Аристотель, в свою очередь, сделал еще более интересное наблюдение: он заметил, что, когда кастрированный теленок вырастает во взрослого быка, он даже не делает попыток взобраться на корову. Более того, в течение многих столетий кастрация применялась и для приручения и одомашнивания животных, и для того, чтобы из человека сделать послушного раба.

И только в XX веке ученые убедились, насколько правы были врачи и мудрецы далекого прошлого. Особенно наглядно это продемонстрировали события, которые произошли после Первой мировой войны в России и Германии. В этих странах медики установили значительное число больных, страдающих токсическим зобом и сахарным диабетом. И объяснялось возросшее количество этих заболеваний функциональными сбоями в эндокринной системе.

В годы Второй мировой войны у жителей британских городов, которые подвергались частым бомбежкам, появлялись отчетливые признаки особой болезни щитовидной железы, которую медики назвали «зобом бомбоубежищ»…

Если же говорить об эндокринной системе в целом, то это группа желез, которые производят специфические вещества, называемые гормонами, и выделяют их напрямую в кровяное русло. И хотя эти железы, называемые эндокринными, или железами внутренней секреции, находятся в разных частях организма, тем не менее, между ними существует тесная функциональная связь.

Эндокринная система – это уникальный биологический регулятор, поддерживающий постоянство, или гомеостаз внутренней среды организма, что является одним из главных условий нормальной жизнедеятельности организма.

В союзе с нервной и иммунной системами эндокринные железы принимают самое активное участие в таких важнейших физиологических и морфологических процессах, как размножение, рост и развитие организма. Железы внутренней секреции участвуют также в выделении или же, наоборот, запасании энергии в виде гликогена или жировой клетчатки.

К основным эндокринным железам человека относятся щитовидная и паращитовидные железы, кора и мозговое вещество надпочечников, островковая ткань поджелудочной железы, семенники и яичники, плацента и определенные области желудочно-кишечного тракта, продуцирующие гормоны.

Благодаря многолетнему исследованию влияния эндокринных желез на организм биологи и медики не только раскрыли тайны рождения детей, но и ответили на множество других вопросов. Например: почему среди людей наблюдаются столь значительные различия в росте, полноте, активности, физической силе, выносливости и т. д?

Объясняется такая широкая связь анатомических, физиологических и психических особенностей организма с функционированием эндокринной системы тем, что в здоровом организме поддерживается точный баланс между активностью эндокринных желез, состоянием нервной системы и соответствующими реакциями тканей, на которые направлены гормональные воздействия. Любой же сбой в одном из этих звеньев в скором времени приводит к отклонениям в функционировании тех или иных органов. Кроме того, при избытке или недостатке того или иного вида гормонов появляется целый букет болезней, которые сопровождаются серьезными изменениями в обменных реакциях организма.

Изучением молекулярной структуры гормонов, их роли в физиологических процессах, протекающих в организме, а также строения самих эндокринных желез занимается эндокринология. Возникла же эта наука только в XX веке.

А теперь, наверное, пришло время более близко познакомиться и с самими гормонами.

Термин «гормон» впервые ввели в научный обиход в 1902 году английские физиологи Старлинг и Бейлисс, назвав им новое соединение, открытое ими в двенадцатиперстной кишке.

Из вышеизложенного должно быть понятно, что гормоны – основные агенты эндокринной системы, участвующие в регуляции и координации функций организма.

Они контролируют деятельность почти всех тканей и органов человека. От их нормального функционирования зависят умственные способности и физическая активность, телосложение и рост, голос, половые пристрастия и в целом все поведение человека.

Английский физиолог Э. Старлинг

Эти вещества из соответствующих эндокринных желез попадают в межклеточное пространство, кровь и лимфу, и с их помощью проникают в «мишени» – органы и клетки, где и осуществляют соответствующие биохимические и физиологические регуляторные функции. К тому же работают они при очень низких концентрациях – до 0,0000000000001 моль на литр.

В органах-мишенях находятся специальные клетки с рецепторами, вступающими в контакт с гормонами и, тем самым, воспринимающими поступающий из тех или иных желез специфический сигнал. После взаимодействия с гормонами в клетке запускается соответствующая цепочка химических реакций, которые являются ответом на воздействие гормона.

В настоящее время из разных многоклеточных организмов выделено более ста пятидесяти различных гормонов. В организме же человека их найдено более 100. И для каждого из этих соединений характерна определенная химическая природа и присущая только ему биологическая активность. Причем воздействие гормонов на тот или иной орган и физиологический процесс может длиться или несколько миллисекунд, как, например, у пептидов, или нескольких часов и даже суток, например, у стероидных гормонов.

Следует заметить, что в организме вырабатывается и немало таких соединений, которые не являются гормонами в классическом понимании, но, тем не менее, по своему воздействию напоминают гормоны.

Например, когда был тщательно исследован гипоталамус, то выяснилось, что некоторые секретируемые им вещества играют важную роль в выделении гормонов гипофизом. Поэтому у эндокринологов возник ряд вопросов, связанных с тем, какие соединения можно считать гормонами и какие структуры – эндокринными железами.

Так, экспериментальным путем было неопровержимо доказано, что, например, печень может извлекать из кровяного русла физиологически слабоактивные или даже совсем неактивные гормональные соединения и затем переводить их в сильнодействующие гормональные вещества.

Например, известно, что надпочечники вырабатывают слабоактивное соединение, которое химики называют дегидроэпиандростерон сульфат. Так вот, оказавшись в печени, это вещество превращается в тестостерон – активный мужской половой гормон, который в значительном количестве вырабатывается семенниками. Но это вовсе не доказывает, что печень является эндокринной железой.

Или взять почки, секретирующих в кровоток фермент ренин, который посредством определенных биохимических реакций усиливает выработку гормона надпочечников – альдостерона. Кроме того, почки продуцируют также и эритропоэтин – гормональное соединение, стимулирующее синтез соединений, вырабатываемых эритроцитами. Но вряд ли в связи с этим почку можно считать эндокринным органом.

Проблем подобного рода в эндокринологии немало. Но и их ученые постепенно решают.

 

ЛЮБИТЕЛЬНИЦА КРОВИ

Это, конечно же, щитовидная железа – самый крупный представитель эндокринных органов у позвоночных животных и человека. Специализируется щитовидка на синтезе и накапливании йод со держащих гормонов.

У человека она полностью формируется довольно рано: на 8–9-м месяце развития плода она уже в состоянии выполнять все основные свои функции.

Состоит щитовидная железа из 2 боковых долей и поперечной связки, которая в нижней половине соединяет их в одно целое. Иногда от связки поднимается вверх еще одна доля – пирамидальная. Располагается эта железа на гортани, обхватывая ее, словно кисть руки, спереди и с боков.

Щитовидка – орган небольшой: ее поперечник – около 50–60 миллиметров, а в области связки почти в десять раз меньше – 6–8 миллиметров. Весит она тоже совсем немного – около 15–30 граммов; у женщин она несколько больше. Кстати, и различного рода сбои в работе щитовидной железы у слабого пола фиксируются в 8–20 раз чаще, чем у мужчин того же возраста. К примеру, тиреоидитом – группой заболеваний аутоиммунной системы щитовидной железы, женщины болеют в 25 раз чаще, чем мужчины. И хотя с возрастом и у женщин и у мужчин проблем со щитовидкой становится все больше, тем не менее, у прекрасного пола они возрастают во много раз, особенно, после 40 лет.

А проблемы со щитовидной железой, в свою очередь, в немалой степени влияют на общее состояние человеческого организма. И связано это с тем, что на этом маленьком органе лежит огромная ответственность за нормальное функционирование большинства структур человеческого тела.

Ультразвуковое исследование щитовидной железы помогает предупредить развитие многих опасных заболеваний

Вот только небольшой перечень тех механизмов и явлений в организме, которые находятся под непосредственным контролем щитовидной железы: это и все обменные процессы, и работа сердечно-сосудистой и центральной нервной систем, и эмоциональная и половая активность. Кроме того, нехватка йода в рационе питания человека может стать причиной умственной отсталости.

Причем осуществляет крохотная железка всю эту гигантскую работу с помощью гормонов тироксина, содержащего четыре атома йода и для краткости называемого Т4, и трийодтиронина, имеющего в своем составе три атома йода – кратко ТЗ.

То есть если судить по тем функциям, которые выполняет щитовидка в организме, то ее по праву можно назвать внутренним диспетчером энергетических потоков, так как только в общем-то почти от нее одной зависит, сколько энергии получит тот или иной конкретный орган. Видимо, по этой причине некоторые биохимики и эндокринологи называют ее «дирижером» ансамбля «адреналиновой энергии».

А распределяет она эту энергию весьма оригинальным путем. Если же говорить конкретно, то все происходит следующим образом.

Вначале поступающая извне информация оказывается в «распоряжении» гипоталамуса и гипофиза, которые, должным образом ее обработав, посылают соответствующие сигналы железам внутренней секреции. А те, в свою очередь, осуществляют перекодировку поступивших сигналов в гормональные соединения, которые начинают выполнять функции команд для надпочечников, вырабатывающих адреналин, и щитовидной железы, синтезирующей тироксин.

А тироксин как раз и стимулирует адреналиновые рецепторы к немедленному усвоению адреналина. Причем стимулируются, прежде всего, рецепторы тех органов, высокая активность которых необходима именно в данной конкретной ситуации. Получив поступившую адреналиновую энергию, органы и выполняют соответствующие задачи. Вот такая «хитрая» биохимия.

Кстати, следует иметь в виду, что в нормальных условиях беспрерывно функционирует только 30 % адреналиновых рецепторов, а 70 % – оставляются в резерве, которым организм может воспользоваться лишь в случае крайней необходимости.

А теперь, видимо, настало время поговорить о тех «взаимоотношениях», которые существуют между йодом и щитовидной железой. Ведь этот химический элемент, наряду с тирозином, является исходным продуктом для биосинтеза гормонов щитовидной железы. При этом следует учесть, что щитовидка является единственным органом в человеческом теле, которому жизненно необходим этот редчайший на планете минерал, поскольку вырабатывать его собственными силами организм не может.

Поступает же йод в организм в небольших количествах – приблизительно 150–300 микрограммов в сутки, главным образом с пищей и водой в виде йодидов и органических соединений. Затем в кишечнике органический носитель йода отделяется, и йод в форме аниона переносится кровью в щитовидную железу.

Затем ткань щитовидной железы, для которой характерна способность присоединять йод, захватывает его против градиента концентрации, транспортирует в фолликулы, где и «накапливает», чтобы впоследствии включать его в биосинтез тиреоидных гормонов.

Причем поступает йод в щитовидку практически мгновенно. Так, в эксперименте меченый радиоактивный йод спустя всего полминуты после введения был зафиксирован в периферийной части фолликулы. А еще через 30–60 минут количество йодида в щитовидной железе достигло необходимой нормы. Но, оказывается, при этом из всех производимых щитовидкой гормонов только 30 процентов находится в ней самой, остальные же циркулируют по всему телу, причем в большинстве своем связанными с белками-переносчиками.

Поскольку щитовидкой усваивается не весь йод, то лишнее его количество выводится из организма через почки (90 %) и толстую кишку (10 %).

Выше уже говорилось, что гормоны щитовидки заняты не только контролем над обменными процессами. Они требуются и для полноценного умственного и физического развития, и для правильного и гармоничного роста костей скелета. Например, если в юном возрасте у человека появляется дефицит гормонов щитовидной железы, то это приводит к замедлению роста, а если их не хватает во время беременности, то это может отразиться на развитии мозга ребенка.

Впрочем, не только гормональная недостаточность сказывается на развитии эмбриона, а затем и ребенка. Само ее недоразвитие тоже ведет к серьезным патологиям организма.

Так, если железа слабо развивается в детском возрасте, то это приводит к задержке роста, нарушению пропорций тела, к умственной отсталости.

У взрослых людей недоразвитие щитовидной железы становится причиной появления микседемы. Главным симптомом этого заболевания является торможение нервно-психической активности. Проявляется же оно в вялости, сонливости, апатии, а также в снижении интеллекта, нарушении половых функций. У таких больных в организме накапливается излишняя тканевая жидкость, что приводит к увеличению массы тела и появлению заметной одутловатости лица. По этим симптомам это заболевание и называют микседемой, или слизистым отеком.

Слабая функциональная деятельность щитовидной железы может появиться у людей, которые живут в районах, где в воде и почве недостает йода. Называется это заболевание эндемическим зобом. В этом случае размеры щитовидки превышают норму; в ней увеличивается число фолликулов, однако из-за недостатка йода гормонов образуется мало.

А вот когда функциональная активность у щитовидной железы выше нормы, тогда развивается тиреотоксикоз, представленный такими формами, как диффузный токсический зоб, Базедова болезнь, болезнь Грейвса. Характерными признаками тиреотоксикоза являются появление зоба, то есть увеличенной щитовидной железы, усиление обмена веществ, что приводит к увеличению аппетита, хотя при этом снижается масса тела. Отмечается при этом заболевании повышенная возбудимость и раздражительность, тахикардия.

Кстати, свое второе название – любительница крови – щитовидная железа носит вовсе не зря. Дело в том, что, как установили физиологи, скорость кровотока в щитовидной железе в 100 раз превышает таковую в нижних конечностях, в 46 раз – в скелетной мышце, в 28 раз – в голове, в 3,5 раза – в почках. Такое обильное кровоснабжение обусловлено, по всей видимости, необходимостью быстрого и полного обеспечения организма гормонами, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях.