kub
Островок  здоровья

----
  
записная книжка врача акушера-гинеколога Маркун Татьяны Андреевны
----
 
 
 

Биологические часы

Способность организмов ощущать ход времени получила определение "биологические часы". Согласно современным представлениям в основе биологических часов лежат эндогенные, контролируемые геномом ритмы, первоисточником которых являются физико-химические колебательные процессы с различными периодами. Факторы внешней среды - датчики времени - лишь частично влияет на продолжительность врожденного ритма, регулируя его главным образом в направлении подстройки к периодическим колебаниям факторов внешней среды, т.е. задают периодичность и фазу.

Сочетение внешних [изменение освещенности (фотопериодизм), температуры (термопериодизм), магнитного поля, интенсивности космических излучений, приливы и отливы, сезонные и солнечно-лунные влияния; социальные влияния, характерные для человека] и внутренних [нейрогуморальные процессы, протекающие в определенном, наследственно закрепленном темпе и ритме] факторов позволяет организмам (от простейших до человека) ощущать ход времени (суточная и годовая периодичность), ориентироваться в пространстве при нахождении пути к жилищу или при миграциях (ориентация по солнечному и лунному компасу), выполнять репродуктивную функцию и т.п.

Большинство исследователей отдают предпочтение мультиосцилляторной модели биологических часов, которая предполагает наличие в организме множества взаимосвязанных пейсмекеров, определяющих соответствующие колебательные процессы в различных как центральных, так и периферических образованиях, влияющих на характер и интенсивность метаболических (биохимических) процессов в различное время суток. Реализация последних осуществляется с помощью не только прямых, но и обратных положительных и отрицательных связей с участием как нервных, так и гуморальных механизмов.

Относительно механизма действия пейсмекеров наука располагает только представлениями или гипотезами, способными объяснить лишь более или менее широкий круг фактов в зависимости от того, какую модель изучаемого явления удалось построить исследователю.


Механизм биологических часов

Существуют различные взгляды на механизмы формирования биоритмических процессов. Среди них выделяют следующие теории:

Биологические часы

Теория обмена веществ

Как показали наблюдения, скорости многих биохимических реакций испытывают правильные периодические колебания. В частности, это относится к расщеплению cахаров дрожжевыми грибами. Если грибы посеять на жидкую питательную среду, содержащую 2% глюкозы, а затем поместить их в анаэробные условия, то концентрация восстановленного кофермента NАDН, характеризующего сгорание сахара, будет совершать колебания с периодом 33 секунды. Эти колебания не затухают. Более того, после некоторого спада вначале их амплитуда даже несколько возрастает.

Если приготовить из дрожжевых клеток вытяжку и добавить к ней олигосахарид, известный под названием трегалоза, то колебания будут сохраняться на протяжении нескольких часов. В одном из подобных экспериментов ритмические колебания концентрации NАDН наблюдались почти 9 часов с периодом, обычно составлявшим около 7 минут, то есть значительно превосходившим период колебаний в живой клетке.

Добавляя к экстракту аккумулятор энергии - аденозинтрифосфат, можно изменять фазу колебаний в зависимости от того, в какой точке кривой фазового отклика произведена добавка. Таким образом, колебания концентрации NАDН во многом сходны с биологическим ритмом, но отличаются более коротким периодом, в значительной степени зависят от температуры и не обладают способностью приспосабливаться к циклу свет-темнота.

В живых организмах довольно широко встречаются и другие ритмические реакции. Они возникают в тех случаях, когда налицо довольно простое условие: наличие двух веществ X и У, причем вещество X увеличивает выработку вещества У, а вещество У уменьшает выработку вещества X. В реакциях, протекающих в вытяжке из дрожжей, присутствие таких веществ устанавливается без труда.

При исследовании скоростей реакций широко используется численное моделирование на ЭВМ, позволяющее установить влияние фазы изменения концентрации того или иного промежуточного вещества. На многих моделях удалось продемонстрировать независимость ритмов от температуры и даже (путем введения элементарных ступеней, активируемых светом) способность адаптироваться к чередованию света и темноты. Нерешенной осталась одна серьезная проблема: продолжительность периода пока остается недостаточно большой. Правда, на ЭВМ удалось просчитать немало сложных моделей, в которых период наблюдаемых колебаний возникал в результате взаимодействия стадий с малыми периодами, но такого рода теории звучат не слишком убедительно.

Теория хронона

Теория хронона объясняет околосуточные колебательные процессы с помощью изменений функциональной активности участков ДНК (хрононов), ответственных за регуляцию биоритмов.

Биологические часы

Хронон представляет собой своего рода молекулярную линию "временной задержки" - согласованно функционирующий фрагмент ДНК, состоящий из нескольких отрезков и содержащий информацию, необходимую для синтеза 200-2000 полипептидных цепей. В РНК для записи "инструкции" о времени синтеза каждого блока молекулы ДНК имеется специальный сигнал-белок, заполняющий первый отрезок цепи. Когда репликация доходит до последнего отрезка хронона, появляется вещество, способное начать весь процесс заново.

Длина фрагмента молекулы ДНК эволюционировала параллельно скорости синтеза информационной (матричной) РНК, так что теперь на протекание всего процесса требуется около 24 часов. Введя стадии, активируемые светом, мы можем получить систему, способную воспроизводить смену дня и ночи.

Весьма важная особенность модели хронона состоит в том, что для репликации матричной РНК полипептидная цепь должна выйти из ядра к месту синтеза белка и вернуться оттуда в ДНК, тем самым воздействуя на нее. Эти диффузионные стадии процесса с повышением температуры замедляются, компенсируя увеличение скорости химических реакций, и обеспечивают независимость хода регулирующего механизма от температуры окружающей среды.

Мосолов Н.А. (НГМА, ГУНЦКЭМ, Новосибирск) считает, что структурной основой первичных биологических часов является система околоцентромерного гетерохроматина клеточного ядра, организованного в единую спирально-кольцевую систему (подобие компакт-диска), имеющую около 35 тыс. оборотов (по числу коротких повторов ДНК, определяемых в околоцентромерном гетерохроматине хромосом человека). Отметка времени осуществляется следующим образом. Показано, что ядра некоторых соматических клеток в культуре и организме осуществляют медленное вращение, синхронное с суточным вращением планеты Земля. Каждые сутки (циркадианный ритм) биологический отметчик времени сдвигается на один оборот. Когда гетерохроматиновая спиральная дорожка кончается - заканчивается жизнь особи. С позиций предлагаемой модели, раковая клетка оценивается как соматическая клетка, у которой вышел из строя отметчик времени БЧ и она стала бессмертной.

Сейчас уже известно, что биологические ритмы могут существовать и у низших простейших, или прокариотов, лишенных обособленного ядра, например у бактерий, хотя диффузионные стадии заведомо исключены, так как наружная оболочка этих организмов не пропускает ДНК. Против роли, отводимой ДНК в концепции хронона, свидетельствует и то, что циклические колебания интенсивности фотосинтеза у зеленой водоросли Acetabularia не прекращаются после удаления клеточного ядра. И хотя ДНК может находиться не только в ядре, но и в других органах клетки, ссылка на это вряд ли убедительна, поскольку трудно себе представить, что каждый из органов содержит по одному хронону.

Мембранная теория

Гораздо более правдоподобное объяснение всего круга явлений дает теория, основанная на изучении механизма движения растений, согласно которой биологические часы локализуются на клеточной мембране.

Обратная связь, которую мы в общих чертах описали на примере биохимических реакций, в этой модели осуществляется между элементами мембраны, выполняющими транспорт ионов, и градиентами концентрации ионов.

Согласно современным представлениям, клеточная мембрана может состоять из двух слоев жироподобного вещества, в которых, как айсберги в море, плавают белковые молекулы. Под "плаванием" в данном случае имеется в виду легкое перемещение молекул белка вдоль слоев жироподобного вещества, поскольку связи между ними не очень прочны и для их разрыва не требуется большой энергии. Белки погружены в море липидов на большую или меньшую глубину в зависимости от организма. Те части белков, которые из-за химического сродства к жироподобным веществам могут образовывать боковые связи (липофильные части), погружаются в "море", остальные выступают наружу. Молекула белка может проходить и сквозь клеточную мембрану, тогда ее части выступают по обе стороны мембраны.

Находящиеся в мембране ферменты и пептиды, выполняющие особые функции, нередко обретают способность действовать лишь после того, как образующие их отдельные цепи соединятся друг с другом. По современной теории, такие составленные из отдельных субъединиц белки, транспортирующие ионы калия, находятся в клеточной мембране. Если концентрации ионов калия по обе стороны мембраны отличаются незначительно, то плавающие в слое липидов пептидные цепи встречаются и соединяются. Начинается активный транспорт калия. Когда же образующийся в результате переноса ионов калия градиент концентрации достигает определенной величины, субъединицы расходятся, и начинается пассивное выравнивание концентраций.

Приспособление к световому циклу в мембранной модели обеспечивается "воротами", которые либо обладают светочувствительностью, либо соединены гормональными или нервными путями с находящимся где-то в стороне фоторецептором. Под воздействием света "ворота" открываются, и через них начинают проходить ионы калия. Если световой импульс достигнет клеточной мембраны в стадии формирования градиента концентрации, то выход градиента на пороговое значение произойдет с некоторой задержкой. Если же световой импульс достигнет мембраны на стадии пассивного выравнивания концентраций, то активный транспорт ионов калия начнется с некоторым опережением. Следовательно, в зависимости от времени подачи светового импульса происходит либо отставание, либо опережение по фазе. Устойчивость по отношению к колебаниям температуры обеспечивают отчасти диффузионные стадии, отчасти особенности поведения липидов.

С мембранной теорией хорошо согласуются результаты многочисленных исследований. Невозможность полностью разрушить часы торможением синтеза белков или РНК эта теория объясняет тем, что на клеточной мембране находятся вещества, вызывающие сдвиг фаз. "Колесики" часового механизма различных биологических ритмов сцеплены по-разному. В одних случаях сцепление происходит напрямую (таковы, например, движения, совершаемые в периоде "сна" листьями бобовых, "светобоязнь" и "светолюбие" одноклеточных). В других случаях сцепление идет где-то на заднем плане (так, вызываемые ионами активность и торможение ферментов, возможно, оказывают стимулирующее влияние на действие гормонов). В случае нервной клетки связующим звеном было бы изменение мембранного потенциала, оказывающее решающее значение на раздражимость клетки.

Теория фотопериодичности

Рассматривает смену света и темноты как источник формирования различных биоритмов организма. Ведущее положение в периодичности функционирования регуляторных и исполнительных систем, а также метаболических процессов занимает активизация и торможение зависимых от света и темноты структур эпифиза. Именно эпифиз через образование, главным образом, мелатонина (накапливающегося в железе и крови днем и уменьшающегося в них ночью) вовлекает в циклический процесс различные структуры ЦНС, особенно вегетативные (СНС, ПСНС) и эндокринные (гипоталамус, гипофиз, периферические железы) структуры, которые соответственно через медиаторы и гормоны реализуют свое регуляторное действие, изменяя метаболические и физиологические процессы в различных клеточно-тканевых структурах организма.

Зависимая от цикла свет-темнота биоритмичность эндокринной системы, различных ее комплексов и звеньев, в значительной степени определяется циклической деятельностью супрахиазмальных ядер медиобазального гипоталамуса.

Теория волновых пакетов

основана на формировании колебательных процессов, определяемых электромагнитными воздействиями на человека, которые зависят от особенностей региона, в котором родился и живет человек, а также от электромагнитных влияний космоса.

Несмотря на наличие различных теорий возникновения в организме биоритмических процессов, реализуемых на различных уровнях организации организма, можно утверждать, что в основе циклично протекающих в нем метаболических и физиологических процессов лежат эндогенные пейсмекерные механизмы. Функционирование последних однако может зависеть и от различных экзогенных геофизических, геосоциальных и космических ритмических воздействий на организм.

Ясно одно: прежде чем мы достигнем окончательного понимания механизма биологических часов, нам предстоит многое узнать, возможно, не раз переделать модель и даже отказаться от существующей ныне теории и разработать новую. А знакомство с нижеприведенными источниками, перевернув все представления, возможно позволит кому-то из молодого поколения совершить этот передел.

Линг Г., Физическая теория живой клетки. Незамеченная революция. СПб, Наука, 2008

Загускин С.Л., Ритмы клетки и здоровье человека. Ростов н/Д, ЮФУ, 2010


Продолжение: Локализация биологических часов


 
 


 

Виртуальные консультации

На нашем форуме вы можете задать вопросы о проблемах своего здоровья, получить поддержку и бесплатную профессиональную рекомендацию специалиста, найти новых знакомых и поговорить на волнующие вас темы. Это позволит вам сделать собственный выбор на основании полученных фактов.

Медицинский форум КОМПАС ЗДОРОВЬЯ

Обратите внимание! Диагностика и лечение виртуально не проводятся! Обсуждаются только возможные пути сохранения вашего здоровья.

Подробнее см. Правила форума  

Последние сообщения



Реальные консультации


Реальный консультативный прием ограничен.

Ранее обращавшиеся пациенты могут найти меня по известным им реквизитам.

Заметки на полях


навязывание услуг компании Билайн, воровство компании Билайн

Нажми на картинку -
узнай подробности!

Новости сайта

Ссылки на внешние страницы

20.05.12

Уважаемые пользователи!

Просьба сообщать о неработающих ссылках на внешние страницы, включая ссылки, не выводящие прямо на нужный материал, запрашивающие оплату, требующие личные данные и т.д. Для оперативности вы можете сделать это через форму отзыва, размещенную на каждой странице.
Ссылки будут заменены на рабочие или удалены.

Тема от 05.09.08 актуальна!

Остался неоцифрованным 3-й том МКБ. Желающие оказать помощь могут заявить об этом на нашем форуме

05.09.08
В настоящее время на сайте готовится полная HTML-версия МКБ-10 - Международной классификации болезней, 10-я редакция.

Желающие принять участие могут заявить об этом на нашем форуме

25.04.08
Уведомления об изменениях на сайте можно получить через раздел форума "Компас здоровья" - Библиотека сайта "Островок здоровья"

Островок здоровья

 
----
Чтобы сообщить об ошибке на данной странице, выделите текст мышью и нажмите Ctrl+Enter.
Выделенный текст будет отправлен редактору сайта.
----
 
Информация, представленная на данном сайте, предназначена исключительно для образовательных и научных целей,
не должна использоваться для самостоятельной диагностики и лечения, и не может служить заменой очной консультации врача.
Администрация сайта не несёт ответственности за результаты, полученные в ходе самолечения с использованием справочного материала сайта
Перепечатка материалов сайта разрешается при условии размещения активной ссылки на оригинальный материал.
© 2008 blizzard. Все права защищены и охраняются законом.