Биотехнология и гормоны человека
 Скачать 58.83 Kb.
|
|
УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ АДМИНИСТРАЦИИ СЕРГИЕВО-ПОСАДСКОГО МУНИЦИПАЛЬНОГО РАЙОНА МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 22 с углубленным изучением отдельных предметов» 141300, г. Сергиев Посад, ул. Громова, д. 1 тел. 8(496)540-20-91, 8(496)540-59-09 Реферат Тема: «Биотехнология и гормоны человека» Исполнитель: ученик 10 класса Комилавочников Константин Руководитель: учитель биологии и экологии Кшукина Т. Ю. г. Сергиев Посад 2011 План I. Введение…………………………………………………….…………………..3 II. Основная часть. Биотехнология на службе здравоохранения. 1. Гормоны……………………………………..………………………………..... - Общая характеристика…………………………………………………………6 - Классификация гормонов…………………..………………………………….7 - Свойства гормонов……………………………………………………………..7 - Роль гормонов в жизнедеятельности организма……………………………..8 - Транспорт гормонов……………………………………………………………9 - Действие гормонов……………………………………………………………10 - Использование гормонов……………………………………..........................11 2. Биотехнология и медицина. - Получение гормонов………………………………………………………….17 III. Заключение…………………………………………………………………...21 Введение Биотехнология - это использование живых организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленном производстве. Это бурно развивающаяся отрасль науки и техники позволяет сегодня, с помощью микроорганизмов, производить ценнейшие продукты питания и препараты. Одна из главных примет нового века, считают специалисты, - повсеместное развитие биотехнологии. Что такое биотехнология? Она - детище многих наук. Ее создают микробиологи, биохимики, генетики, биофизики в тесном содружестве с инженерами, с технологами. И получилась сочетание живого начала с неживым - с механизмами, с современной техникой. Главные действующие лица биотехнологии - микроорганизмы: бактерии, микробы, одноклеточные водоросли, - а также клетки высших растений или составные их части. Биотехнология не просто смелая задумка. Уже действуют заводы, где трудятся миллиарды и миллиарды микроскопических созданий, с которыми связаны крупные открытия и свершения. Применения биологических процессов и систем в производстве - вот чем занимается биотехнология. Более конкретно биотехнологические методы включают микробиологический синтез, генную инженерию, клеточную и белковую инженерию, инженерную энзимологию, культивирование клеток растений, животных и бактерий, методы слияния клеток. Исторически биотехнология возникла на основе традиционных микробиологических (большей частью бродильных) производств; ведь многие подобные «технологии» неосознанно применялись еще в древности при получении вина, пива, хлеба, и других пищевых продуктов. Дальнейшее развитие этих традиционных биопроизводств было связанно с успехами в области биохимии и других наук биологического цикла. Современная биотехнология оказывает огромное влияние на все аспекты практической деятельности человека. С ее помощью в настоящее время получают десятки дорогостоящих биологически активных веществ, среди них гормоны, ферменты, витамины, антибиотики, некоторые лекарства. Огромна роль биотехнологии в медицине. Здесь благодаря применению генной инженерии позволяющей «встраивать» чужые гены в клетки продуценты, удается нарабатывать в неограниченных количествах такие ценнейшие лекарства, как человеческий инсулин, интерфероны, моноклональные антитела. Чрезвычайно важные значение имеет биотехнология в экологизации промышленных производств на основе создания безотходных процессов; биотехнологические методы применяются при очистке воды; биологические методы подавления вредителей сельскохозяйственных культур уверенно вытесняют, казалось не имеющие конкурентов химические инсектициды. Благодаря биотехнологии разработаны и внедрены энерго - и ресурсосберегающие производства. Биотехнологические процессы являются базой для получения кормового и пищевого белка; в настоящее время в мире 5% кормового белка производится с помощью микробиологической переработки нефти. Биотехнологическим путем получают возобновляемые источники энергии. Новые биотехнологические процессы, вполне возможно, приведут к дальнейшей революционизации различных отраслей промышленности. По истине фантастическое будущее связывается с развитием белковой инженерии, биоэлектроники (биосенсоры, биоэлементы для ЭВМ), с получением новых стимуляторов роста растений, высокоэффективных лекарственных препаратов. Биотехнологией называют основанное на самом совершенном биологическом процессе производство необходимых для человека веществ. Здесь комплексно используют высшие достижения микробиологии, биохимии, инженерных наук. В биотехнологических процессах широко применяют микроорганизмы (бактерии, нитчатые грибы, актиномициты, дрожжи). В огромных биореакторах (ферментерах) на специально подобранных питательных средах они нарабатывают белок, лекарственные препараты, ферменты, и т.д. Большую роль играют микроорганизмы в обеспечении животноводства полноценными кормовыми белками. На отходах нефтяной промышленности, а также на метаноле, этаноле, метане растут бактерии и дрожжи. Они создают большую массу белка, используемого как полноценные кормовые добавки. Этот белок богат незаменимой аминокислотой - лизином, которого часто не хватает в растительной пище, вследствие чего задерживается рост животных. Большое значение в биотехнологии приобретают методы, получившие клеточной инженерии. Метод клеточной инженерии открывает принципиально новый способ создания гибридов на основе соединения в единую систему неполовых, а соматических клеток. Уже получены гибридные клетки и организмы картофеля и томатов, яблони и вишни и некоторые другие. Открываются огромные перспективы для создания человеком новых форм культурных растений. У животных получение гибридных клеток также открывает новые перспективы, главным образом для медицины. Например, в культуре получены гибриды между раковыми клетками (обладающими способностью к неограниченному росту) и некоторыми клетками крови - лимфоцитами. Последние вырабатывают вещества, обусловливающие иммунитет (невосприимчивость) к инфекционным, в том числе вирусным, заболеваниям. Используя такие гибридные клетки, можно получать ценные лекарственные вещества, повышающие устойчивость организма к инфекциям. В биотехнологии широко применяют метод генной (генетической) инженерии. Успехи молекулярной биологии и генетики открывают широкие перспективы управления основными жизненными процессами путем перестройки генотипа. Исследованиями по перестройки генотипа занимается генная инженерия. Методы ее очень сложны. В результате встраивания в генотип ранее отсутствующего гена можно заставить клетку синтезировать белки, которые она раньше не синтезировала. Например, в генотип бактерии кишечной палочки удалось ввести ген из генотипа человека, контролирующий синтез инсулина - гормона в углеводном обмене. Инсулин широко используется в медицине при лечении нарушений функции поджелудочной железы (диабет). В настоящее время промышленный синтез будет осуществляется при посредстве кишечной палочки с встроенном геном инсулина. Хорошо известно, какое огромное значение для урожайности сельскохозяйственных культур имеют неорганические соединения азота. Существуют некоторые виды бактерий, замечательной способностью фиксировать атмосферный азот, переводя его в связанный азот почвы. Поставлена задача - гены, контролирующие фиксацию атмосферного азота, ввести в генотип почвенных бактерий, которые не имеют этих генов. Решение задачи будет иметь первостепенное значение для растениеводства, совершенно по-новому встанет вопрос об удобрении почв. Значение биотехнологии огромно, поскольку с ее помощью решаются серьезные проблемы. На базе микробиологии родилась и быстро развивается целая отрасль микробиологическая промышленность. Активно участвуя в решении продовольственных проблем, она выпускает средства интенсификации сельского хозяйства - высокоэффективные кормовые добавки и препараты: кормовые дрожжи, незаменимые аминокислоты, витамины, ферменты, кормовые и ветеринарные антибиотики. Налажен выпуск микробиологических средств защиты растений от вредителей и болезней, бактериальных удобрений, а также препаратов для нужд пищевой, текстильной, химической и других отраслей промышленности и для научных целей. Биотехнология имеет два новейших раздела - генную и клеточную инженерию. Что общего между генетикой и инженерией? Генетика - наука о наследственности и об изменчивости организмов. Область ее исследований - живое. Инженерия, например, имеет дело с машинами, точными приборами, с технологией, с возведением зданий, мостов, с постройкой дорог, туннелей, плотин. В словарях, изданиях, изданных в 80-е годы, можно отыскать новое понятие - генетическая, или генная инженерия. Это раздел молекулярной биологии, связанный с конструированием несуществующих в природе сочетаний генов при помощи генетических биохимических методов. Успехи, достигнутые в области генетической и клеточной инженерии на простейших биологических системах, прокариотических организмах, вселяют уверенность в преодолимость рассмотренных трудностей. Что касается более сложных систем, а именно эукариотических организмов, то здесь делаются лишь первые шаги, идет накопление фундаментальных знаний. Биотехнология на службе здравоохранения Уже в наши дни биотехнология оказывает реальную помощь здравоохранению. Нет сомнений в терапевтической ценности инсулина, гормона роста, интерферонов, факторов свертывания крови и иммунной системы, тромболитических ферментов, изготовленных биотехнологическим путем. Помимо получения лечебных средств, биотехнология позволяет проводить раннюю диагностику инфекционных заболеваний и злокачественных новообразований на основе применения препаратов антигенов, моноклональных антител, ДНК/РНК-проб. С помощью новых вакцинных препаратов возможно предупреждение инфекционных болезней. Гормоны Общая характеристика Гормоны - специфические вещества, которые вырабатываются в организме и регулируют его развитие и функционирование. В переводе с греческого гормоны - означают двигаю, возбуждаю. Гормоны образуются специальными органами - железами внутренней секреции (или эндокринными железами). Эти органы названы так потому, что продукты их работы не выделяются во внешнюю среду (как, например, у потовых или пищеварительных желез), а «подхватываются» током крови и разносятся по всему организму. «Истинные» гормоны (в отличии от местных регуляторных веществ) выделяются в кровь и действуют практически на все органы, в том числе значительно удаленные от места образования гормона. Биологически активные вещества, образующиеся в других, отличных от желез внутренней секреции, органах и тканях, принято называть «парагормонами», «гистогормонами», «биогенными стимуляторами». На участие этих веществ в регуляции функций организма впервые указал русский физиолог В. Я. Данилевский (в 1899 г. На 7- м съезде общества русских врачей в память Н. И. Пирогова). Термин «гормоны» впервые был применен У. Бейлиссом и Э. Старлингом в 1902 г. по отношению к специфическому продукту секреции слизистой оболочки верхней части кишечника - т.н. секретину, стимулируюшему отделение сока поджелудочной железы. Однако секретин следует отнести к «гистогормонам». Гормоны, в широком смысле слова, являются биологически активными веществами и носителями специфической информации, с помощью которой осуществляется связь между различными клетками и тканями, что необходимо для регуляции многочисленных функций организма. Информация, содержащаяся в гормонах, достигает своего адресата благодаря наличию рецепторов, которые переводят ее в пострецепторное действие (влияние), сопровождающееся определенным биологическим эффектом. Классификация гормонов По химической природе гормоны делят на: белки (например, инсулин, соматотропин - гормон роста), пептиды (например, соматостатин), производные аминокислот (например, адреналин) и липиды: стероиды (например, кортикостерон) и производные жирных кислот - простагландины. Белковые гормоны подразделяют на пептидные: соматотропный, меланоцитостимулирующий, пролактин, паратгормон, кальцитонин, инсулин, глюкагон, и протеидные – глюкопротеиды: тиротропный, фолликулостимулирующий, лютеинизирующий, тироглобулин. Гипофизотропные гормоны и гормоны желудочно-кишечного тракта принадлежат к олигопептидам, или малым пептидам. К стероидным (липидным) гормонам относятся кортикостерон, кортизол, альдостерон, прогестерон, эстрадиол, эстриол, тестостерон, которые секретируются корой надпочечника и половыми железами. К этой группе можно отнести и стеролы витамина D - кальцитриол. Производные арахидоновой кислоты являются простагландинами и относятся к группе эйкозаноидов. Адреналин и норадреналин, синтезируемые в мозговом слое надпочечника и других хромаффинных клетках, а также тироидные гормоны являются производными аминокислоты тирозина. Белковые гормоны гидрофильны и могут переноситься кровью как в свободном, так и в частично связанном с белками крови состоянии. Стероидные и тироидные гормоны липофильны (гидрофобны), отличаются небольшой растворимостью, основное их количество циркулирует в крови в связанном с белками состоянии. Гормоны осуществляют свое биологическое действие, комплексируясь с рецепторами - информационными молекулами, трансформирующими гормональный сигнал в гормональное действие. Большинство гормонов взаимодействуют с рецепторами, расположенными на плазматических мембранах клеток, а другие гормоны - с рецепторами, локализованными внутриклеточно, т.е. с цитоплазматическими и ядерными эффектом. Свойства гормонов Особый интерес представляет способность организма сохранять гормоны в иноктивированном (недеятельном) состоянии. Гормоны, являясь специфическими продуктами желез внутренней секреции, не остаются стабильными, а изменяются структурно и функционально в процессе обмена веществ. Продукты превращения гормонов, могут обладать новыми биокаталитическими свойствами и играть определенную роль в процессе жизнедеятельности: например, продукты окисления адреналина – дегидроадреналин, адренохром, как это показал А. М. Утевский, являются своеобразными катализаторами внутреннего обмена. Работа гормонов осуществляется под контролем и в теснейшей зависимости с нервной системой. Роль нервной системы в процессах гормонообразования впервые была доказана в начале 20 в. русским ученым Н. А. Миславским, изучавшим нервную регуляцию деятельности желез внутренней секреции. Им был открыт нерв, усиливающий секрецию гормона щитовидной железы; его ученику М. Н. Чебоксарову принадлежит (1910 г.) аналогичное открытие в отношении гормона надпочечника. И. П.Павлов и его ученики показали громадное регулирующее значение коры больших полушарий головного мозга в гормонообразовании. Специфичность физиологического действия гормонов является относительной и зависит от состояния организма как целого. Большое значение имеет изменение состава среды, в которой действует гормон, в частности, увеличение или уменьшение концентрации водородных ионов, сульфгидрильных групп, солей калия и кальция, содержание аминокислот и прочих продуктов обмена веществ, влияющих на реактивность нервных окончаний и взаимоотношения гормонов с ферментными системами. Так, действие гормона коры надпочечника на почки и сердечно-сосудистую систему в значительной степени определяется содержанием хлористого натрия в крови. Соотношение между количеством активной и неактивной формы адреналина определяется содержанием аскорбиновой кислоты в тканях. Доказано, что гормоны находятся в тесной зависимости от условий внешней среды, влияние которой опосредуется рецепторами нервной системы. Раздражение болевых, температурных, зрительных и др. рецепторов оказывает влияние на выделение гормона гипофиза, щитовидной железы, надпочечника и др. желез. Составные части пищи могут служить, с одной стороны источником структурного материала для построения гормонов (йод, аминокислоты, стерины), а с дугой стороны - путем изменения внутренней среды и влияние на интерорецепторы, воздействовать на функцию желез, образующих гормоны. Так, установлено, что углеводы, преимущественно влияют на выделение инсулина; белки - на образования гормона гипофиза, половых гормонов, гормона коры надпочечника, гормона щитовидной железы; витамин С - на функцию щитовидной железы и надпочечника и т.д. Некоторые химические вещества, вводимые в организм, могут специфически нарушать гормонообразование. Роль гормонов в жизнедеятельности организма Физиологическое действие гормонов направлено на: 1) обеспечение гуморальной, т.е. осуществляемой через кровь, регуляции биологических процессов; 2) поддержание целостности и постоянства внутренней среды, гармоничного взаимодействия между клеточными компонентами тела; 3) регуляцию процессов роста, созревания и репродукции. Гормоны регулируют активность всех клеток организма. Они влияют на остроту мышления и физическую подвижность, телосложение и рост, определяют рост волос, тональность голоса, половое влечение и поведение. Благодаря эндокринной системе человек может приспосабливаться к сильным температурным колебаниям, излишку или недостатку пищи, к физическим и эмоциональным стрессам. Изучение физиологического действия эндокринных желез позволило раскрыть секреты половой функции и чудо рождения детей, а также ответить на вопрос, почему одни люди высокого роста, а другие низкого, одни полные, другие худые, одни медлительные, другие проворные, одни сильные, другие слабые. В нормальном состоянии существует гармоничный баланс между активностью эндокринных желез, состоянием нервной системы и ответом тканей-мишеней (тканей, на которые направлено воздействие). Любое нарушение в каждом из этих звеньев быстро приводит к отклонениям от нормы. Избыточная или недостаточная продукция гормонов служит причиной различных заболеваний, сопровождающихся глубокими химическими изменениями в организме. Изучением роли гормонов в жизнедеятельности организма и нормальной и патологической физиологией желез внутренней секреции занимается эндокринология. Как медицинская дисциплина она появилась только в 20 в., однако эндокринологические наблюдения известны со времен античности. Гиппократ полагал, что здоровье человека и его темперамент зависят от особых гуморальных веществ. Аристотель обратил внимание на то, что кастрированный теленок, вырастая, отличается в половом поведении от кастрированного быка тем, что даже не пытается взбираться на корову. Кроме того, на протяжении веков кастрация практиковалась как для приручения и одомашнивания животных, так и для превращения человека в покорного раба. Транспорт гормонов Гормоны, попав в кровоток, должны поступать к соответствующим органам-мишеням. Транспорт высокомолекулярных (белковых) гормонов изучен мало из-за отсутствия точных данных о молекулярной массе и химической структуре многих из них. Гормоны со сравнительно небольшой молекулярной массой, такие, как тиреоидные и стероидные, быстро связываются с белками плазмы, так что содержание в крови гормонов в связанной форме выше, чем в свободной; эти две формы находятся в динамическом равновесии. Именно свободные гормоны проявляют биологическую активность, и в ряде случаев было четко показано, что они экстрагируются из крови органами-мишенями. Значение белкового связывания гормонов в крови не совсем ясно. Предполагают, что такое связывание облегчает транспорт гормона либо защищает гормон от потери активности. Действие гормонов В целом, гормоны действуют на определенные органы-мишени и вызывают в них значительные физиологические изменения. У гормона может быть несколько органов-мишеней, и вызываемые им физиологические изменения могут сказываться на целом ряде функций организма. Например, поддержание нормального уровня глюкозы в крови - а оно в значительной степени контролируется гормонами - важно для жизнедеятельности всего организма. Гормоны иногда действуют совместно; так, эффект одного гормона может зависеть от присутствия какого-то другого или других гормонов. Гормон роста, например, неэффективен в отсутствие тиреоидного гормона. Действие гормонов на клеточном уровне осуществляется по двум основным механизмам: не проникающие в клетку гормоны (обычно водорастворимые) действуют через рецепторы на клеточной мембране, а легко проходящие через мембрану гормоны (жирорастворимые) - через рецепторы в цитоплазме клетки. Во всех случаях только наличие специфического белка-рецептора определяет чувствительность клетки к данному гормону, т.е. делает ее «мишенью». Первый механизм действия, подробно изученный на примере адреналина, заключается в том, что гормон связывается со своими специфическими рецепторами на поверхности клетки; связывание запускает серию реакций, в результате которых образуются т.н. вторые посредники, оказывающие прямое влияние на клеточный метаболизм. Такими посредниками служат обычно циклический аденозиномонофосфат и/или ионы кальция; последние высвобождаются из внутриклеточных структур или поступают в клетку извне. И циклический аденозиномонофосфат, и ионы кальция используются для передачи внешнего сигнала внутрь клеток у самых разнообразных организмов на всех ступенях эволюционной лестницы. Однако некоторые мембранные рецепторы, в частности рецепторы инсулина, действуют более коротким путем: они пронизывают мембрану насквозь, и когда часть их молекулы связывает гормон на поверхности клетки, другая часть начинает функционировать как активный фермент на стороне, обращенной внутрь клетки; это и обеспечивает проявление гормонального эффекта. Второй механизм действия - через цитоплазматические рецепторы - свойствен стероидным гормонам (гормонам коры надпочечников и половым), а также гормонам щитовидной железы (T3 и T4). Проникнув в клетку, содержащую соответствующий рецептор, гормон образует с ним гормон-рецепторный комплекс. Этот комплекс подвергается активации (с помощью АТФ), после чего проникает в клеточное ядро, где гормон оказывает прямое влияние на экспрессию определенных генов, стимулируя синтез специфических РНК и белков. Именно эти новообразованные белки, обычно короткоживущие, ответственны за те изменения, которые составляют физиологический эффект гормона. Регуляция гормональной секреции осуществляется несколькими связанными между собой механизмами. Их можно проиллюстрировать на примере кортизола, основного глюкокортикоидного гормона надпочечников. Его продукция регулируется по механизму обратной связи, который действует на уровне гипоталамуса. Когда в крови снижается уровень кортизола, гипоталамус секретирует кортиколиберин - фактор, стимулирующий секрецию гипофизом кортикотропина. Повышение уровня кортикотропина, в свою очередь, стимулирует секрецию кортизола в надпочечниках, и в результате содержание кортизола в крови возрастает. Повышенный уровень кортизола подавляет затем по механизму обратной связи выделение кортиколиберина - и содержание кортизола в крови снова снижается. Секреция кортизола регулируется не только механизмом обратной связи. Так, например, стресс вызывает освобождение кортиколиберина, а соответственно и всю серию реакций, повышающих секрецию кортизола. Кроме того, секреция кортизола подчиняется суточному ритму; она очень высока при пробуждении, но постепенно снижается до минимального уровня во время сна. К механизмам контроля относится также скорость метаболизма гормона и утраты им активности. Аналогичные системы регуляции действуют и в отношении других гормонов. Использование гормонов Гормоны использовались первоначально в случаях недостаточности какой-либо из желез внутренней секреции для замещения или восполнения возникшего гормонального дефицита. Первым эффективным гормональным препаратом был экстракт щитовидной железы овцы, примененный в 1891 английским врачом Г. Марри для лечения микседемы. На сегодняшний день гормональная терапия способна восполнить недостаточную секрецию практически любой эндокринной железы; прекрасные результаты дает и заместительная терапия, проводимая после удаления той или иной железы. Гормоны могут использоваться также для стимуляции работы желез. Гонадотропины, например, применяют для стимуляции половых желез, в частности для индукции овуляции. Кроме заместительной терапии, гормоны и гормоноподобные препараты используются и для других целей. Так, избыточную секрецию андрогена надпочечниками при некоторых заболеваниях подавляют кортизоноподобными препаратами. Другой пример - использование эстрогенов и прогестерона в противозачаточных таблетках для подавления овуляции. Гормоны могут применяться и как агенты, нейтрализующие действие других медикаментозных средств; при этом исходят из того, что, например, глюкокортикоиды стимулируют катаболические процессы, а андрогены - анаболические. Поэтому на фоне длительного курса глюкокортикоидной терапии (скажем, в случае ревматоидного артрита) нередко дополнительно назначают анаболические средства для снижения или нейтрализации ее катаболического действия. Часто гормоны применяют как специфические лекарственные средства. Так, адреналин, расслабляющий гладкие мышцы, очень эффективен в случаях приступа бронхиальной астмы. Гормоны используются и в диагностических целях. Например, при исследовании функции коры надпочечников прибегают к ее стимуляции, вводя пациенту кортикотропин, а ответ оценивают по содержанию кортикостероидов в моче или плазме. В настоящее время препараты гормонов начали применяться почти во всех областях медицины. Гастроэнтерологи используют кортизоноподобные гормоны при лечении регионарного энтерита или слизистого колита. Дерматологи лечат угри эстрогенами, а некоторые кожные болезни - глюкокортикоидами; аллергологи применяют кортикотропин и глюкокортикоиды при лечении астмы, крапивницы и других аллергических заболеваний. Педиатры прибегают к анаболическим веществам, когда необходимо улучшить аппетит или ускорить рост ребенка, а также к большим дозам эстрогенов, чтобы закрыть эпифизы (растущие части костей) и предотвратить таким образом чрезмерный рост. При трансплантации органов используют глюкокортикоиды, которые уменьшают шансы отторжения трансплантата. Эстрогены могут ограничивать распространение метастазирующего рака молочной железы у больных в период после менопаузы, а андрогены применяются с той же целью до менопаузы. Урологи используют эстрогены, чтобы затормозить распространение рака предстательной железы. Специалисты по внутренним болезням обнаружили, что целесообразно использовать кортизоноподобные соединения при лечении некоторых типов коллагенозов, а гинекологи и акушеры применяют гормоны при терапии многих нарушений, прямо не связанных с гормональным дефицитом. Основные гормоны человека Гормоны передней доли гипофиза. Железистая ткань передней доли продуцирует: - гормон роста, или соматотропин, который воздействует на все ткани организма, повышая их анаболическую активность (т.е. процессы синтеза компонентов тканей организма и увеличения энергетических запасов). - меланоцит-стимулирующий гормон, усиливающий выработку пигмента некоторыми клетками кожи (меланоцитами и меланофорами); - тиреотропный гормон, стимулирующий синтез тиреоидных гормонов в щитовидной железе; - фолликулостимулирующий гормон и лютеинизирующий гормон, относящиеся к гонадотропинам: их действие направлено на половые железы . - пролактин - гормон, стимулирующий формирование молочных желез и лактацию. Гормоны задней доли гипофиза - вазопрессин и окситоцин. Оба гормона продуцируются в гипоталамусе, но сохраняются и высвобождаются в задней доле гипофиза, лежащей книзу от гипоталамуса. Вазопрессин поддерживает тонус кровеносных сосудов и является антидиуретическим гормоном, влияющим на водный обмен. Окситоцин вызывает сокращение матки и обладает свойством «отпускать» молоко после родов. Главными гормонами, секретируемыми нормальной щитовидной железой, являются тироксин (Т4) и трийодтиронин (Т3). Попадая в кровоток, они связываются - прочно, но обратимо - со специфическими белками плазмы. Т4 связывается сильнее, чем Т3, и не так быстро высвобождается, а потому он действует медленнее, но продолжительнее. Тиреоидные гормоны стимулируют белковый синтез и распад питательных веществ с высвобождением тепла и энергии, что проявляется повышенным потреблением кислорода. Эти гормоны влияют также на метаболизм углеводов и, наряду с другими гормонами, регулируют скорость мобилизации свободных жирных кислот из жировой ткани. Другим соединением, найденным в щитовидной железе, является длительно действующий тиреоидный стимулятор. Он представляет собой гамма-глобулин и, вероятно, вызывает гипертиреоидное состояние. Гормон паращитовидных желез называют паратиреоидным, или паратгормоном; он поддерживает постоянство уровня кальция в крови: при его снижении паратгормон высвобождается и активирует переход кальция из костей в кровь до тех пор, пока содержание кальция в крови не вернется к норме. Другой гормон - кальцитонин - оказывает противоположное действие и выделяется при повышенном уровне кальция в крови. Раньше полагали, что кальцитонин секретируется паращитовидными железами, теперь же показано, что он вырабатывается в щитовидной железе. Гормоны надпочечников. Один из гормонов мозгового слоя - адреналин - необходим для выживания, так как обеспечивает реакцию на внезапную опасность. При ее возникновении адреналин выбрасывается в кровь и мобилизует запасы углеводов для быстрого высвобождения энергии, увеличивает мышечную силу, вызывает расширение зрачков и сужение периферических кровеносных сосудов. Таким образом, направляются резервные силы для «бегства или борьбы», а кроме того снижаются кровопотери благодаря сужению сосудов и быстрому свертыванию крови. Адреналин стимулирует также секрецию кортикотропина. Кортикотропин, в свою очередь, стимулирует выброс корой надпочечников кортизола, в результате чего увеличивается превращение белков в глюкозу, необходимую для восполнения в печени и мышцах запасов гликогена, использованных при реакции тревоги. Кора надпочечников секретирует три основные группы гормонов: минералокортикоиды, глюкокортикоиды и половые стероиды (андрогены и эстрогены). Минералокортикоиды - это альдостерон и дезоксикортикостерон. Их действие связано преимущественно с поддержанием солевого баланса. Глюкокортикоиды влияют на обмен углеводов, белков, жиров, а также на иммунологические защитные механизмы. Наиболее важные из глюкокортикоидов - кортизол и кортикостерон. Половые стероиды, играющие вспомогательную роль, подобны тем, что синтезируются в гонадах; это 4-андростендион, дегидроэпиандростерон и дегидроэпиандростерон сульфат, некоторые эстрогены. Адреналин и норадреналин - два основных гормона, секретируемых мозговым слоем надпочечников. Адреналин считается метаболическим гормоном из-за его влияния на углеводные запасы и мобилизацию жиров. Норадреналин - вазоконстриктор, т.е. он сужает кровеносные сосуды и повышает кровяное давление. Мозговой слой надпочечников тесно связан с нервной системой; так, норадреналин высвобождается симпатическими нервами и действует как нейрогормон. Семенники (яички) имеют две части, являясь железами и внешней, и внутренней секреции. Эндокринную функцию осуществляют содержащиеся в них клетки Лейдига, которые секретируют мужские половые гормоны 4-андростендион и тестостерон, основной (андрогены), в частности мужской гормон. Клетки Лейдига вырабатывают также небольшое количество эстрогена (эстрадиола). Гонадотропин стимулирует образование спермы (сперматогенез). Под влиянием другого гонадотропина, клетки Лейдига выделяют тестостерон. Сперматогенез происходит только при достаточном количестве андрогенов. Андрогены, в частности тестостерон, ответственны за развитие вторичных половых признаков у мужчин. Гормоны яичников - это эстрогены, 4-андростендион. Эстрогены определяют развитие женских гормонов прогестерон и вторичных половых признаков. Эстроген яичников, эстрадиол, вырабатывается в клетках растущего фолликула - мешочка, который окружает развивающуюся яйцеклетку. В результате действия как фолликулостимулирующего гормона, так и лютеинизирующего, фолликул созревает и разрывается, высвобождая яйцеклетку. Разорванный фолликул превращается затем в т.н. желтое тело, которое секретирует как эстрадиол, так и прогестерон. Эти гормоны, действуя совместно, готовят слизистую матки (эндометрий) к имплантации оплодотворенной яйцеклетки. Плацента человека секретирует хорионический гонадотропин и плацентарный лактоген человека. Подобно яичникам плацента продуцирует прогестерон и ряд эстрогенов. Хорионический гонадотропин. Имплантации оплодотворенной яйцеклетки способствуют материнские гормоны - эстрадиол и прогестерон. На седьмой день после оплодотворения человеческий зародыш укрепляется в эндометрии и получает питание от материнских тканей и из кровотока. Плацентарный лактоген человека был обнаружен в высокой концентрации в ткани плаценты, в оттекающей от плаценты крови и в сыворотке материнской периферической крови. Он оказался сходным, но не идентичным с гормоном роста человека. Это мощный метаболический гормон. Воздействуя на углеводный и жировой обмен, он способствует сохранению глюкозы и азотсодержащих соединений в организме матери и тем самым обеспечивает снабжение плода достаточным количеством питательных веществ; одновременно он вызывает мобилизацию свободных жирных кислот - источника энергии материнского организма. Гормоны поджелудочной железы. Поджелудочная железа осуществляет как внутреннюю, так и внешнюю секрецию. Экзокринный (относящийся к внешней секреции) компонент - это пищеварительные ферменты, которые в форме неактивных предшественников поступают в двенадцатиперстную кишку через проток поджелудочной железы. Внутреннюю секрецию обеспечивают островки Лангерганса, представленные клетками нескольких типов: альфа-клетки секретируют гормон глюкагон, бета-клетки – инсулин. Основное действие инсулина заключается в понижении уровня глюкозы в крови, осуществляемое главным образом тремя способами: 1) торможением образования глюкозы в печени; 2) торможением в печени и мышцах распада гликогена (полимера глюкозы, который организм при необходимости может превращать в глюкозу); 3) стимуляцией использования глюкозы тканями. Главное действие глюкагона - увеличение уровня глюкозы в крови за счет стимулирования ее продукции в печени. Хотя поддержание физиологического уровня глюкозы в крови обеспечивают в первую очередь инсулин и глюкагон, другие гормоны - гормон роста, кортизол и адреналин – также играют существенную роль. Гормоны желудочно-кишечного тракта - гастрин, холецистокинин, секретин и панкреозимин. Это полипептиды, секретируемые слизистой оболочкой желудочно-кишечного тракта в ответ на специфическую стимуляцию. Полагают, что гастрин стимулирует секрецию соляной кислоты; холецистокинин контролирует опорожнение желчного пузыря, а секретин и панкреозимин регулируют выделение сока поджелудочной железы. Нейрогормоны - группа химических соединений, секретируемых нервными клетками (нейронами). Эти соединения обладают гормоноподобными свойствами, стимулируя или подавляя активность других клеток; они включают упомянутые ранее рилизинг-факторы, а также нейромедиаторы, функции которых заключается в передаче нервных импульсов через узкую синаптическую щель, отделяющую одну нервную клетку от другой. К нейромедиаторам относятся дофамин, адреналин, норадреналин, серотонин, гистамин, ацетилхолин и гамма-аминомасляная кислота. В середине 1970-х годов был открыт ряд новых нейромедиаторов, обладающих морфиноподобным обезболивающим действием; они получили название «эндорфины», т.е. «внутренние морфины». Эндорфины способны связываться со специальными рецепторами в структурах головного мозга; в результате такого связывания в спинной мозг посылаются импульсы, которые блокируют проведение поступающих болевых сигналов. Болеутоляющее действие морфина и других опиатов несомненно обусловлено их сходством с эндорфинами, обеспечивающим их связывание с теми же блокирующими боль рецепторами. Биотехнология и медицина В медицине биотехнологические приемы и методы играют ведущую роль при создании новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов, предназначенных для ранней диагностики и лечения различных заболеваний. Антибиотики - самый большой класс фармацевтических соединений, получение которых осуществляется с помощью микробиологического синтеза. Созданы генноинженерные штаммы кишечной палочки, дрожжей, культивируемых клеток млекопитающих и насекомых, используемые для получения ростового гормона, инсулина и интерферона человека, различных ферментов и противовирусных вакцин. Изменяя нуклеотидную последовательность в генах, кодирующих соответствующие белки, оптимизируют структуру ферментов, гормонов и антигенов. Важнейшим открытием явилась разработанная в 1975 Г. Келером и С. Мильштейном техника использования гибридом для получения моноклональных антител желаемой специфичности. Моноклональные антитела используют как уникальные реагенты, для диагностики и лечения различных заболеваний. Какие же цели ставят перед собой представители новой профессии - генные инженеры? Самые разные. Первые успехи генной инженерии связаны с производством чрезвычайно важных препаратов, применяемых медициной для борьбы с тяжелыми, опасных для жизни людей недугами. Один из таких недугов - сахарная болезнь- диабет. Причина, вызывающая болезнь - недостаток инсулина в организме. Инсулин - это гормон, вырабатываемый поджелудочной железой. Гормоны - весьма активные биологические вещества, регулирующие ход жизненных процессов в организме. Инсулин, если можно так выразиться, неусыпно следит за уровнем сахара в крови, понижая его, едва он начнет превышать норму. А если поджелудочная железа вырабатывает мало инсулина? Тогда беда, из-за излишка в крови сахара возникает болезнь. Избавить от нее человека медицина пока не может, для этого надо бы научиться исправлять механизм поджелудочной железы. До таких тонкостей наука еще не дошла. А сейчас врачи берут на себя часть работы железы: больным постоянно вводят инсулин, поддерживая нужный уровень этого вещества в крови. Дело это хлопотливое и не дешевое. Получение гормонов Биотехнология предоставляет медицине новые пути получения ценных гормональных препаратов. Особенно большие сдвиги произошли в последние годы в направлении синтеза пептидных гормонов. Раньше гормоны получали из органов и тканей животных и человека (крови доноров, удаленных при операциях органов, трупного материала). Требовалось много материала для получения небольшого количества продукта. Так, человеческий гормон роста (соматотропин) получали из гипофиза человека, каждый гипофиз содержит его не более 4 мг. В то же время для лечения одного ребенка, страдающего карликовостью, требуется около 7 мг соматотропина в неделю; курс лечения должен продолжаться несколько лет. С применением генноинже-нерного штамма Е. coliв настоящее время получают до 100 мг гормона роста на 1 л среды культивирования. Открываются перспективы борьбы не только с карликовостью, но и с низкорослостью - более слабой степенью дефицита соматотропина. Соматотропин способствует заживлению ран и ожогов, наряду с кальцитонином (гормоном щитовидной железы) регулирует обмен Са2+ в костной ткани. Инсулин, пептидный гормон островков Лангерганса поджелудочной железы, представляет основное средство лечения при сахарном диабете. Эта болезнь вызвана дефицитом инсулина и проявляется повышением уровня глюкозы в крови. До недавнего времени инсулин получали из поджелудочной железы быка и свиньи. Препарат отличался от человеческого инсулина 1-3 аминокислотными заменами, так что возникала угроза аллергических реакций, особенно у детей. Широкомасштабное терапевтическое применение инсулина сдерживалось его высокой стоимостью и ограниченностью ресурсов. Путем химической модификации инсулин из животных удалось сделать неотличимым от человеческого, но это означало дополнительное удорожание продукта. Компания Eli Lilly с 1982 г. производит генноинженерный инсулин на основе раздельного синтеза Е. coli его А- и В-цепей. Стоимость продукта значительно снизилась, получаемый инсулин идентичен человеческому. С 1980 г. в печати имеются сообщения о клонировании у Е. coliгена проинсулина - предшественника гормона, переходящего в зрелую форму при ограниченном протеолизе. К лечению диабета приложена также технология инкапсулирования: клетки поджелудочной железы в капсуле, введенные однократно в организм больного, продуцируют инсулин в течение года. Компания Integrated Genetics приступила к выпуску фолли-кулостимулирующего и лютенизирующего гормонов. Эти пептиды составлены из двух субъединиц. На повестке дня вопрос о промышленном синтезе олигопептидных гормонов нервной системы - энкефалинов, построенных из 5 аминокислотных остатков, и эндорфинов, аналогов морфина. При рациональном применении эти пептиды снимают болевые ощущения, создают хорошее настроение, повышают работоспособность, концентрируют внимание, улучшают память, приводят в порядок режим сна и бодрствования. Примером успешного применения методов генетической инженерии может служить синтез эндорфина по технологии гибридных белков, описанной выше для другого пептидного гормона, соматостатина. Значителен вклад биотехнологии и в промышленное производство непептидных гормонов, в первую очередь стероидов. Методы микробиологической трансформации позволили резко сократить число этапов химического синтеза кортизона, гормона надпочечников, применяемого для лечения ревматоидного артрита. При производстве стероидных гормонов широко используют иммобилизованные микробные клетки, например Arthrobacter globiformis,для синтеза преднизолона из гидрокортизона. Имеются разработки по получению гормона щитовидной железы тироксина из микроводорослей. Заключение Нет сомнения, потенциал биотехнологии в наши дни велик. Ей дано - пусть в определенных границах - перевивать по-новому «нить жизни» - ДНК - методами генетической и клеточной инженерии, создавать биообъекты по заранее заданным параметрам и, как обычно добавлять, на благо человечества. Всегда ли на благо? Думается, что накопленный разносторонний потенциал современной биотехнологии - это обоюдоострый меч, который, подобно другим новым отраслям научно-технического прогресса, сформировавшимся в XX в. (ядерная энергетика, компьютерная электроника, космонавтика), может принести не только пользу, но и вред при бесконтрольном, неосторожном и тем более злонамеренном применении. Так, в распространении методов генетической инженерии видели угрозу заражения людей невиданными болезнетворными «генетическими монстрами», создания новых разновидностей злостных сорняков и даже выведения «стандартных людей» по заранее заданным программам. Потенциальную угрозу, заключающуюся в развитии биотехнологии, нельзя ни преувеличивать, ни преуменьшать, она в значительной мере определяется не чисто научно-техническими, а этическими и социально-политическими факторами. Биотехнология представляется «страной контрастов», сочетания самых передовых достижений научно-технического прогресса с определенным возвратом к прошлому, выражающимся в использовании живой природы как источника полезных для человека продуктов вместо химической индустрии. Значительные контрасты характерны для биотехнологии и в отношении необходимых для ее развития финансовых средств, сырьевых материалов и кадров. Есть биотехнологические разработки, требующие весьма внушительных капиталовложений, концентрации усилий крупных коллективов научных работников, инженерно-технических и управленческих кадров, дорогостоящего сырья и оборудования (многие генноинженерные разработки, биотехнологические процессы с применением автоматизированных систем управления). Это так называемая «большая биотехнология». Ей противостоит «малая биотехнология» (получение биогаза, выращивание микроводорослей в прудах), обходящаяся во многом даровыми источниками энергии и сырья, низкими капиталовложениями, небольшими затратами труда. Все направления современной биотехнологии должны служить всему человечеству, а не только тем, кто способен финансировать развитие той или иной отрасли. В частности, развивающиеся страны должны получить доступ к «большой биотехнологии», которая им пока во многом «не по карману». Генно-инженерная вакцина против малярии необходима для стран Африки, где от малярии погибает более миллиона детей в год. Но могут ли развивающиеся страны Африки финансировать массовое производство генно-инженерных вакцин? Настоятельной необходимостью является международная координация усилий биотехнологов, всех заинтересованных стран. В рамках государств - участников СЭВ такая координация предусмотрена в Комплексной программе научно-технического прогресса, рассчитанной на период до 2000 г. Биотехнология - междисциплинарная область научно-технического прогресса. Она весьма гетерогенна по своему теоретическому базису, потому что призвана исследовать не какой-либо класс объектов, а решать определенный круг комплексных проблем. Одной из них является, например, поиск дешевого заменителя тростникового (свекловичного) сахара, и армия биотехнологов берется за дело, сочетая в своей деятельности элементы различных наук: методы микробиологии, необходимые для выращивания микроорганизма, биохимии - для выделения глюкоизомеразы (дающей глюкозо-фруктозный сироп при использовании глюкозы как субстрата), органического синтеза - для получения полимерного носителя, а при регулировке параметров системы с иммобилизованным ферментом необходимы физико-химические расчеты. Можно добавить еще, что для повышения эффективности биосинтеза глюкоизомеразы могут быть использованы методы генетической и клеточной инженерии. Круг вопросов, к решению которых привлекают биотехнологические разработки, весьма широк. Однако большинство из них прямо или косвенно связано с глобальными проблемами, стоящими перед современной цивилизацией: загрязнение окружающей среды, угроза экологического кризиса; истощение запасов полезных ископаемых, в первую очередь источников энергии, угроза мирового энергетического кризиса; нехватка продовольствия, особенно ощутимая в развивающихся странах. Слова «биология» и «биотехнология» различаются лишь тем, что в слове «биотехнология» есть вставка «техно». И биология, и биотехнология имеют дело с живыми объектами, но как различны их подходы к живому! Биотехнолог изучает живое не из чисто познавательного интереса, он пытается «заставить» работать живые объекты, производить нужные человеку продукты. «Зачем брать на себя труд изготовления химических соединений, если микроб может сделать это за нас?», - говорил Дж. Б. С. Холдейн еще в 1929 г., предвосхищая грядущий расцвет биотехнологии. В современной биотехнологии живое рассматривается как средство производства в ряду всех прочих средств; например, при биологической трансформации органических соединений микроорганизмам отводят роль химических реагентов. Не случайна и стандартная для инженерной энзимологии метафора, уподобляющая иммобилизованные биообъекты «закованным в цепи рабам». Биообъект, таким образом, понижают в ранге, переводя из категории самостоятельной целостной живой системы в категорию реагентов, датчиков, реле, компьютерных деталей, прочих орудий модернизированного производства. Эта тенденция современной биотехнологии имеет не только философское, но и практическое значение. Она порождает чересчур грубый, примитивный, чисто эмпирический подход к такому сложному объекту, как живое, что ведет к его низкоэффективному функционированию в условиях биотехнологического процесса. Не оправдал себя, в частности, лобовой метод оптимизации подобного процесса, оптимизация «грубой силой», проводимый без детальных знаний физиологии используемого организма. Недостаточно надежен в биотехнологии и метод кибернетического моделирования, упрощающий биологический объект до «черного ящика». Существует и другая тенденция в биотехнологии. Ее приверженцы относятся с «пониманием» к тонкости и слаженности систем регуляции процессов жизнедеятельности в клетке биообъекта. В полушутливой форме эти мысли выражены журналистом и популяризатором биотехнологии Фишлоком в предисловии к книге «Биотехнологический бизнес» (1982): «Микробы намного умнее и способнее микробиологов, генетиков и инженеров». Речь нередко идет о повышении ранга биообъекта в биотехнологии. Описанные особенности подхода биотехнологии к объекту выделяют ее среди традиционных естественно-научных дисциплин. Биотехнология - типичное порождение нашего бурного, динамичного XXI в. Она открывает новые горизонты перед человеческим разумом. Проблемы биотехнологии чрезвычайно многообразны, начиная от чисто технических (например, снижение каталитической активности ферментов при их иммобилизации) и кончая тонкими интеллектуальными проблемами, связанными с обеднением фундаментальной науки в связи с доминированием чисто проблемно-прикладных разработок. Список литературы 1. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. т. 2. М., 1994. 2. Вакула В. Л. Биотехнология: что это такое? М.: Молодая гвардия, 1989. 3. Егоров Н. С. Биотехнология проблемы и перспективы. М.: Высшая школа, 1987. 4. Интернет: http://bio.freehostia.com. 5. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека. т. 2. М.: Мир, 1993. 6. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. М.: Мир, 1987. 7. Теппермен Дж., Теппермен Х. Физиология обмена веществ и эндокринной системы. М.: Мир, 1989. 8. Шмидт Р., Тевс Г. Физиология человека. тт. 2-3. М., 1996. |