Биологические ритмы в патологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА имени академика Д.И. Прянишникова

Кафедра внутренних незаразных болезней, хирургии и акушерства

Реферат

«Биологические ритмы в патологии»

Пермь 2012

Содержание

Введение

"Циркадный центр"

Мелатонин

Механизм действия мелатонина

Основные физиологические функции мелатонина

Патогенетическое значение мелатонина

Список литературы

Введение

Фундаментальным свойством всех живых систем является биологическая ритмичность - равномерное чередование во времени каких-либо состояний организма.

Под влиянием постоянно повторяющихся воздействий факторов внешней среды, формирующих экзогенные ритмы, в процессе эволюции в живых системах возникли структурно-функциональные организации, осуществляющие эндогенные ритмы. Учитывая эволюцию развития живых существ, можно предположить, что первоначально сформировались клеточные, метаболические биоритмы, «базовые» по своей сущности. В дальнейшем, в ходе эволюционного развития, усложнения организмов формировались «надстроечные» биоритмы, связанные с поэтапным включением регуляторных систем: иммунной, эндокринной, нервной. В результате естественного отбора эндогенные биоритмы закрепились в гене.

Благодаря биоритмам обеспечивается внутреннее развитие организма, его устойчивость к воздействию факторов окружающей среды. Это осуществляется за счет ритмичного чередования процессов анаболизма и катаболизма. Борьба противоположностей, обуславливающая развитие, лежит в основе адаптационных процессов, обеспечивающих синхронизацию физиологических функций организма с разнообразными изменениями окружающей среды. Исследование биоритмов позволяет оценивать реактивность, функциональное состояние и адаптационные возможности организма.

В настоящее время в организме обнаружены биоритмы на различных структурных уровнях: клеточном, тканевом, органном, организменном.

Среди всего многообразия циклических биологических процессов наибольшее значение имеют суточные, или циркадные (от лат. cirka - около, dies - день) ритмы. (http://prioslav.ru)

Циркадные ритмы напрямую связаны с циклической сменой освещенности, то есть с вращением Земли вокруг своей оси. Они есть у всех живых существ на Земле: растений, микроорганизмов, беспозвоночных и позвоночных животных, вплоть до высших млекопитающих и человека, так как они определяют активность метаболических процессов в организме. Наступление световой ночи сопровождается повышением выработки гипофизом соматотропного гормона, а выработка адренокортикотропного гормона снижается. Известно, что соматотропный гормон стимулирует анаболические процессы, а адренокортикотропный гормон вызывает выброс в кровь адреналина и других глюкокортикоидов из коры надпочечников, обладающих катаболической активностью.

В 1959 году Ашофф обнаружил закономерность, которую потом назвали «правилом Ашоффа». Оно гласит: «У ночных животных активный период (бодрствование) более продолжителен при постоянном освещении, в то время как у дневных животных бодрствование более продолжительно при постоянной темноте». Действительно, при длительной изоляции человека или животных в темноте цикл «бодрствование - сон» удлиняется за счет увеличения продолжительности фазы бодрствования. Из правила Ашоффа следует, что именно свет определяет циркадные колебания организма.

В основе циркадного ритма лежит физиологический процесс выработки гормона мелатонина эпифизом, но основным водителем, которому строго подчиняются все биологические ритмы, является супрахиазматическое ядро гипоталамуса: у млекопитающих световой цикл воспринимается сетчаткой глаза, затем нервный сигнал поступает в супрахиазматическое ядро гипоталамуса, а далее по верхнему шейному ганглию поступает в эпифиз. (http://elementy.ru)

"Циркадный центр"

Супрахиазматическое ядро (от лат. super - над и греч. chiasmos - перекрест), расположено над перекрестом зрительных нервов, имеет сигарообразную форму. Протяженность ядра невелика - не более половины миллиметра.

В 1972 году двум группам американских исследователей удалось показать, что супрахиазматическое ядро и есть центр управления биологическими часами организма. Для этого они разрушили ядро в мозге мышей микрохирургическим путем. Роберт Мур и Виктор Эйхлер обнаружили, что у животных с нефункционирующим супрахиазматическим ядром пропадает цикличность выброса в кровь гормонов стресса - адреналина и глюкокортикоидов. Другая научная группа под руководством Фредерика Стефана и Ирвина Цукера изучала двигательную активность грызунов с удаленным "циркадным центром". Обычно мелкие грызуны после пробуждения все время находятся в движении. В лабораторных условиях для регистрации движения к колесу, в котором животное бежит на месте, подсоединяется кабель. Мышки и хомячки в колесе пробегают 15-20 км за день.

Оказалось, что разрушение супрахиазматического ядра приводит к исчезновению циркадной двигательной активности животных: периоды сна и бодрствования становятся у них хаотичными. Они перестают спать в течение циркадной ночи, то есть в светлое время суток, и бодрствовать циркадным днем, то есть с наступлением темноты.

Уникальность супрахиазматического ядра состоит в том, что в его клетках работают так называемые "часовые" гены. Эти гены были впервые обнаружены у плодовой мушки дрозофилы в аналоге головного мозга позвоночных животных - головном ганглии, протоцеребруме. Часовые гены млекопитающих по своей нуклеотидной последовательности оказались очень похожи на гены дрозофилы. Выделяют два семейства часовых генов - периодические и криптохромные. Продукты деятельности этих генов, Пер- и Кри-белки. В цитоплазме нейронов они образуют между собой молекулярные комплексы, которые проникают в ядро и подавляют активацию часовых генов и, естественно, выработку соответствующих им белков. В результате концентрация Пер- и Кри-белков в цитоплазме клетки уменьшается, что снова приводит к "разблокированию" и активации генов, которые начинают производить новые порции белков.

Таким образом, осуществляется цикличность процессов в супрахиазматическом ядре, из него сигналы передаются в нейроэндокринные железы (эпифиз), которые посредством гормонов (мелатонин) воздействуют на внутренние органы. (http://a-nomalia.narod.ru)

Американские исследователи М. Хард и М. Ральф обнаружили, что золотистые хомячки с особой мутацией в гене, отвечающем за генерацию ритмических сигналов в супрахиазматическом ядре гипоталамуса, жили на 20% меньше, чем контрольные. Нарушение функции некоторых циркадианных генов вызывает не только преждевременное старение, но и развитие различных патологических состояний, включая увеличение чувствительности мышей к развитию опухолей.

Недавно у больных раком молочной железы (в 95% случаев) обнаружены изменения в активности периодических часовых генов. Это может привести к нарушению контроля над нормальным циркадным ритмом и таким образом увеличить выживание раковых клеток. В течение 2006 года вышло шесть работ, свидетельствующих о нарушениях функций часовых генов у больных раком ряда других локализаций.

Данные, полученные на крысах и людях, показывают, что и в опухолях, и у самих особей значительно изменяются циркадные ритмы. Так, у крыс нарушался циркадианный ритм мелатонина в сыворотке крови, в активности пинеалоцитов и содержании биогенных аминов в супрахиазматическом ядре гипоталамуса и преоптической области. Таким образом, экологические и генетические факторы, повреждающие системный или местный циркадианный ритм, могут ставить под угрозу временное регулирование деления клеток и таким образом усиливать рост опухоли. (http://elementy.ru)

Мелатонин

мелатонин биоритм иммуномодулирующий биохимический

Мелатонин -- это одно из древнейших биохимических веществ, регулирующее биоритмы живых организмов. Он присутствует уже у одноклеточных организмов и растений.

Мелатонин был открыт американским дерматологом А. Лернером более полувека назад. Им оказался N-ацетил-5-метокситриптамин, которому первооткрыватель дал название «мелатонин» (от гр. melas -- черный и tosos -- труд).

В организме позвоночных животных главный источник мелатонина -- эпифиз, или шишковидная (пинеальная) железа, расположенная в центре мозга, позади третьего желудочка. В эпифизе информация от нейронов, модифицированная условиями освещения, превращается в химические сигналы. Получая информацию о состоянии внешнего фотопериодизма, эпифиз трансформирует ее в эндокринный ответ, вырабатывая мелатонин.

Принципиально важным является факт циркадианной периодичности выработки в пинеалоцитах биологически активных соединений. Синтез мелатонина эффективно происходит только с наступлением темноты и снижается в светлую фазу суток. Дневной ритм продукции мелатонина зависит от активности фермента арилалкиламин-N-ацетилтрансферазы (NАТ) в сетчатке.

Важно отметить, что в организме присутствует и экстрапинеальный, плазменный мелатонин, то есть синтезируемый вне эпифиза. Так, синтез этого гормона обнаружен в сетчатке, желудочно-кишечном тракте воздухоносных путях, легких, в корковом слое почек, надпочечниках, желчном пузыре, яичниках, предстательной железе, плаценте, тимусе, поджелудочной железе, мозжечке, в клетках крови -- тучных клетках, лимфоцитах, естественных киллерах, тромбоцитах, эозинофильных лейкоцитах. Биологическое действие экстрапинеального мелатонина реализуется непосредственно там, где он синтезируется. Вопрос о том, является ли этот путь синтеза гормона фотонезависимым, до сих пор окончательно не решен. (http://pediatric.mif-ua.com)

Механизм действия мелатонина

Установлено, что мелатонин эффективен на системном, тканевом, клеточном и субклеточном уровнях. Благодаря своим амфифильным свойствам (растворяется в воде и в жирах) мелатонин преодолевает все тканевые барьеры, свободно проходит через клеточные мембраны. Минуя систему рецепторов и сигнальных молекул, взаимодействуя с ядерными и мембранными рецепторами, он влияет на внутриклеточные процессы. Рецепторы к мелатонину обнаружены в различных ядрах гипоталамуса, сетчатке глаза и других тканях.

В отличие от многих гормонов, действие мелатонина на клеточные структуры зависит не только от его концентрации в крови и межклеточной среде, но и от исходного состояния клетки. Это позволяет считать мелатонин универсальным эндогенным адаптогеном, поддерживающим баланс организма на определенном уровне и способствующим адаптации к непрерывно меняющимся условиям окружающей среды и локальным воздействиям на организм. (http://elementy.ru)

Основные физиологические функции мелатонина

В последние годы получены новые данные о механизмах, обеспечивающих комплексное взаимодействие нервной, иммунной и эндокринной систем. Предполагается, что интегратором этого взаимодействия является эпифиз, а мелатонин участвует в регуляции деятельности центральной и вегетативной нервной систем, эндокринных органов и иммунной системы.

Основными физиологическими функциями мелатонина являются:

1) биоритмологическая функция;

2) терморегуляция и индукция сна;

3) антиоксидантный эффект;

4) иммуномодулирующее действие;

5) антистрессорное действие;

6) регуляция полового развития.

1. Биоритмологическая функция

Способность организма адекватно реагировать на различные стимулы путем перестройки биоритмов обеспечивает стабильность и здоровье организма. Поэтому способность мелатонина осуществлять коррекцию эндогенных ритмов относительно экзогенных ритмов окружающей среды является наиболее важной физиологической функцией этого гормона.

Биоритмологическая функция обеспечивается непосредственным воздействием мелатонина и модулирующим влиянием на секрецию других гормонов и биологически активных веществ, концентрация которых изменяется в зависимости от времени суток. В норме функциональная активность эпифиза находится в противофазе с деятельностью гипофиза. Так, если гипофиз за счет тропных гормонов активирует эндокринную функцию, то шишковидное тело, наоборот, ее тормозит. Такое чередование деятельности этих двух нейроэндокринных образований мозга обеспечивает циркадианное ритмичное функционирование не только желез внутренней секреции, но и организма в целом.

Существуют отдельные наблюдения, касающиеся взаимодействия эпифиза и гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы. Показано, что мелатонин ингибирует выброс адренокортикотропного гормона, уменьшая таким образом концентрацию кортизола, снижает продукцию норадреналина. Ингибирование мелатонином тиреоидной паренхимы наблюдается на всех этапах ее функциональной активности.

В сезонных перестройках организма основополагающую роль играют связанные с фотопериодизмом изменения продукции мелатонина.

2. Терморегуляция и индукция сна

Мелатонин играет основную роль в регуляции сна. Уменьшая температуру тела, он увеличивает потребность в сне и снижает мотивацию к бодрствованию. (http://pediatric.mif-ua.com)

3. Антиоксидантный эффект

Антиоксидантный эффект мелатонина был открыт Р. Рейтером в 1993 г.

Механизм антиоксидантного действия мелатонина связан, прежде всего, с его способностью связывать образующиеся при перикисном окислении липидов наиболее токсичные гидроксильные радикалы, а также пероксинитрит и пероксильный радикал. Являясь активным донором электронов и эффективным перехватчиком активных форм кислорода, особенно гидроксильного радикала ОН, он также уничтожает радикал оксида азота (NО). Гормон обладает способностью непосредственно связывать ионы металлов с переменной валентностью (Fe ²⁺ , Cu ²⁺ , Mn ²⁺ ) которые проявляют в организме прооксидантное действие.

Антиоксидантные эффекты обусловлены проникновением гормона в клетки и его взаимодействием практически со всеми субклеточными структурами, включая ядро. Антиоксидантный эффект мелатонина обеспечивает защиту ДНК, липидов и белков от свободнорадикального повреждения.

В ряде экспериментов доказано, что мелатонин нейтрализует гидроксильные радикалы активнее, чем такие антиоксиданты, как глутатион и маннитол, а в отношении пероксильных радикалов он в два раза сильнее, чем витамин Е (http://elementy.ru). Таким образом, мелатонин может быть главной молекулой в системе защиты организма от окислительного стресса благодаря нейтрализации перекиси водорода и уничтожению гидроксильных радикалов.

4. Иммуномодулирующее действие

Мелатонин принимает участие в регуляции функции иммунной системы. Иммунологи обнаружили, что увеличение активности Т- и В-иммунных клеток в течение суток происходит параллельно с возрастанием концентрации мелатонина. Было выяснено, что мелатонин участвует в регуляции функции тимуса и щитовидной железы, повышает активность Т-клеток и фагоцитов. Об этом свидетельствует присутствие рецепторов к мелатонину на иммунокомпетентных клетках вилочковой железы и селезенки, периферических иммунокомпетентных клетках (лимфоциты, нейтрофилы). Одной из причин ухудшения функционирования иммунной системы считается ослабление деятельности тимуса. Экзогенное введение мелатонина восстанавливает массу тимуса, улучшает активность клеток, что усиливает дифференцировку Т-лимфоцитов и восстанавливает чувствительность кожи к аллергенам, что может означать восстановление памяти Т-клеток (увеличивается способность к идентификации антигенов).

Данный гормон стимулирует иммунный ответ как по В-, так и по Т-системе, но это зависит от исходного состояния иммунокомпетентных органов. Между количеством лимфоцитов и уровнем мелатонина определяется обратная взаимосвязь, то есть прослеживается определенная адаптивная направленность в воздействии мелатонина на иммунитет. Путем увеличения продукции цитокинов, которые вырабатываются Т-хелперами, мелатонин усиливает иммунный ответ.

Таким образом, мелатонин принимает участие в регуляции как клеточного, так и гуморального звена иммунитета.

5. Антистрессорный эффект

Мелатонин играет существенную роль в нормализации послестрессового состояния организма, которая обусловлена его влиянием на нейромедиаторные системы, воздействием на синхронизацию циркадианной ритмики. Воздействуя одновременно на нейроэндокринную и иммунную системы, мелатонин оптимизирует гомеостаз и осуществляет защиту от стресса.

В механизме противострессорной активности мелатонина существенную роль играет уменьшение активности тонуса симпатической нервной системы и активности гипофизарно-надпочечниковой системы, снижение уровня кортикостероидов, влияющих на кардиоваскулярную систему. Наряду со снижением уровня кортизола мелатонин стимулирует выделение эндорфинов.

6. Регуляция полового развития

Существует достаточно доказательств влияния эпифиза на половое развитие и репродукцию. Он проявляет четко выраженное антигонадотропное действие. Снижение содержания мелатонина в крови стимулирует выделение гипофизом половых гормонов -- лютеинезирующего и фолликулостимулирующего (пролактина и окситоцина). Снижение уровня мелатонина ускоряет половое созревание.

Патогенетическое значение мелатонина

Любые изменения продукции мелатонина, выходящие за рамки нормальных физиологических колебаний, ведут к рассогласованию как собственно биологических ритмов организма между собой (внутренний десинхроноз), так и ритмов организма с ритмами окружающей среды (внешний десинхроноз). Возникающий десинхроноз нарушает функциональное состояние организма и может способствовать формированию патологических состояний и заболеваний.

С биоритмологических позиций сезонные обострения хронических болезней внутренних органов представляют собой клиническую реализацию дезадаптации организма в условиях, требующих повышенной активности адаптивной системы организма при изменении условий окружающей среды. Следовательно, даже сам факт нарушения ритма продукции мелатонина может стать причиной различных заболеваний.

В ряде работ показано, что нарушение фотопериодичности может существенно сокращать продолжительность жизни. Еще в 1964 г. немецкий исследователь В. Йохле отметил, что у мышей при круглосуточном освещении количество опухолей молочной железы значительно больше, чем у животных, находящихся при обычном режиме. Аналогичная закономерность прослеживалась и в отношении других опухолей. В 1966 г. сотрудник Московского онкологического научного центра И.О. Смирнова обнаружила гиперпластические процессы в молочной железе и мастопатии у 78-88% самок крыс через 7 месяцев после начала воздействия постоянного освещения. По данным И.А. Виноградовой, при содержании крыс при постоянном освещении до 18-месячного возраста доживает чуть больше половины самок, тогда как в комнате со стандартным режимом освещения к этому сроку были живы почти 90% животных.

Воздействие постоянного освещения значительно ускоряло возрастные нарушения репродуктивной функции и существенно усиливало спонтанный канцерогенез у мышей. (http://elementy.ru)

Таким образом, результаты экспериментальных и клинических исследований свидетельствуют о том, что мелатонин является адаптационным гормоном, который участвует в координации и синхронизации нейроиммунофизиологических процессов. Действие мелатонина проявляется в обеспечении нормальной биоэлектрической активности мозга, циркадианных ритмов, в регуляции активности гипоталамо-гипофизарной области и иммунной системы и антистрессорной защите организма. Нарушение продукции и рецепции мелатонина может быть одним из звеньев патогенеза большого круга заболеваний, сопровождающихся нейроиммунологическими нарушениями. (http://pediatric.mif-ua.com)

Список литературы

http://a-nomalia.narod.ru

http://elementy.ru

http://medbookaide.ru

http://prioslav.ru

http://www.tolokonin.ru

http://pediatric.mif-ua.com

Размещено на Allbest.ru