Комаров О.М., Рапопорт С.И Хронобиология и хрономедицина
Подождите немного. Документ загружается.
83монофосфата (цАМФ), связыванием, и новым синтезом NAT или его активатора.
Мощный ингибитор цАМФ-индуцированной генной транскрипции (ICER) активируется
одновременно с NAT и обуславливает механизм, посредством которого ограничивается
ночная продукция М (Stehle J.H. et si., 1993). Стимуляция [^-адренергических рецепторов
усиливается а^адренорецептора-ми через кальций (Са2+) — фосфолипидзависимую
протеинкиназу С и про-стагландинами, синтез которых активизируется Са2*,
поступающим в пинеа-лоциты вслед активацией а,-адренорецепторов (Cardinaii D.P.,
Vacas M.I., 1987; Krause D.N., Dubocovich M.L, 1990).
Дополнительные стимулы синтезу М поступают из VIP-ергических нейронов, которые
достигают эпифиза через его стебель (Cardinaii D.P., Vacas M.I., 1987) и опосредуют свое
действие через опиоиды, которые связываются с s-рецепторами (Jansen K.L.R. et al.,
1990"), и через активацию гипофизарного аденилатциклаза — активирующего
полипептида (Chik C.L., Но А.К., 1995). Ингибирование продукции М осуществляется
GABA (гамма-аминомасляная кислота, ГАМК), бензодиазепинами, допамином,
глютаматом и дельтасон-ингибирующим пептидом (Krause D.N., Dubocovich M.L., 1990).
Действительно ли все вышеперечисленные механизмы и субстанции участвуют в
регуляции продукции М эпифизом в организме человека к настоящему моменту
окончательно не ясно. Как и у животных, у человека синтез М зависит от наличия
триптофана и снижается при истощении его резервов (Zimmermann R.C. et al., 1993).
Факты свидетельствуют, что в организме человека адренергическая стимуляция также
важна для секреции М эпифизом. f^-адренергические блокаторы подавляют ночную
секрецию М (Demitrack М.А. et al., 1990), причем степень подавления секреции М Ц-
блокаторами тем меньше, чем выше исходный ночной уровень М (Cagnacci A. etal., 1994).
Снижение ночной секреции М вызывается введением клонидина, который снижает
эндогенный адренергический тонус (LewyA.J., etal., 1986), а также сс-метил-
паратирозином, который редуцирует пресинаптический синтез ка-техоламинов
(Zimmermann R.C. etal., 1994). Напротив, секреция М повышается при введении
препаратов, стимулирующих продукцию катехоламинов, таких как ингибиторов МАО или
трициклических антидепрессантов (Murphy D.L. etal., 1986; SkeneA.J. etal., 1994).
Предполагается также участие в регуляции продукции М внутриклеточного кальция. В
экспериментах на человекоподобных приматах продемонстрировано значимое угнетение
ночной продукции М антагонистами кальция (дигидропиридин) (Meyer А.С. etal., 1986).
Стимулирующий эффект простагландинов на секрецию М очевиден в связи с тем, что
введение ингибиторов синтеза простагландинов приводит к снижению продукции М
(Murphy P.J. et al., 1996). Введение опиатов повышает секрецию М (Chazot G. et al., 1985),
однако блокаторы опиоидных рецепторов, такие как налоксон или налтрексон, не влияют
на продукцию М (Strassman R.J.etal., 1989). Активация GABA-рецепторов
бензодиазепинами приводит к снижению ночной продукции М (Monteleone P. Et al., 1989),
в то время как воздействие на допаминергические рецепторы их агонистами (Lai S. et al.,
1987) или антагонистами (Laughlin G.A. et al., 1991) практически не влияет на уровень
продукции М.
М не накапливается в эпифизе, а сразу путем пассивной диффузии поступает из
пинеалоцитов в кровоток. Это связано с несколькими причинами: маленький размер
молекулы М, наличие у М липофильных и гидрофильных свойств (Reiter R.J., 1991). На
основании современных данных затруднительно сказать, куда, преимущественно,
секретируется М из эпифиза. Исследова-
84
ния на животных свидетельствуют, что уровень М в цереброспинальной жидкости (ЦСЖ)
латеральных желудочков мозга значительно превышает таковой в кровотоке (Shaw P.F. et
al., 1989). При периферическом введении М (не в ЦНС) в эксперименте на животных
аналогичная концентрация в ЦСЖ отмечается только при достижении фармакологических
уровней М в крови (Kanematsu N. Et al., 1989). Наличие градиента концентраций между
ЦСЖ и кровью может свидетельствовать об одновременной секреции М в обе жидкости.
В ЦСЖ М не связан с протеинами, в то время как в крови 70% М связано с альбуминами
(Cardinaii D.P. et al., 1972). Высокая плотность связывающих М участков была выявлена в
молекуле гемоглобина, что может свидетельствовать о роли гемоглобина как переносчика
М в кровотоке до органов-мишеней (Gilad E. etal., 1995). Полупериод жизни М в ЦСЖ
составляет 40 мин,, по крайней мере, у приматов (ReppertS.M. etal., 1979). У человека
полупериод жизни М в крови равен примерно 28,4 мин. (MalloC. etal., 1990) и зависит как
от его диффузии в ткани и жидкости организма (Reiter R.J., 1991), включая ЦСЖ (Partridge
W.M., Mietus L.J., 1980), так и от уровня его метаболизма печенью, где 90% М
гидроксилируется уже при первом пассаже. Гидроксилированные метаболиты М
экскретируются с мочой, преимущественно, в виде сульфатов и, в значительно меньшей
степени, в виде глюкуронидов (Reiter R.J., 1991).
Циркулирующий М достигает всех тканей организма (Reiter R.J., 1991), включая ЦНС(\
ЛИе P.A. etal., 1988), где у животных он обнаруживается в значительных количествах в
различных участках коры, мозжечке, таламусе и па-равентрикулярных ядрах
гипоталамуса (Anton-Tay F., Wurtman R.J., 1969). Возможно, что в ЦНС М попадает через
ЦСЖ. В экспериментах на крысах показано, что концентрация М в ЦНС при его введении
через ЦСЖ в 100 раз превышает таковую при введении М в кровоток, и наивысшая
концентрация М в ЦНС выявлена в гипоталамусе (Cardinalii D.P. et al., 1973). Высокое
содержание М было выявлено также в передней камере глаза (Viggiano S.R. et al., 1994),
где концентрация М прямо коррелирует с таковой в плазме. Однако, синтез М
осуществляется и собственно цилиарным телом глаза (Martin X.D. etal., 1992).
Присутствие М определено в моче (Arendt J. etal., 1985) и в слюне (Laakso M.-L. etal.,
1990), куда он попадает из плазмы. Присутствие М в достаточных концентрациях
выявлено также в жидкостях репродуктивной системы: жидкости преовуляторных
фолликулов (Brzezinski A. et al., 1988), сперме (Bornman M.S. et al., 1989), амниотической
жидкости (Kivela К. Et al., 1989) и молоке (Illnerova H. Et al., 1993). Доказано, что в эти
биологические жидкости и ткани М поступает путем диффузии из плазмы. Несмотря на
то, что в ряде случаев концентрация М в фолликулярной или семенной жидкости выше
таковой в плазме, это не противоречит факту поступления М в эти жидкости из плазмы.
Данный феномен связан с тем, что в этих жидкостях высокая концентрация М
поддерживается путем его связывания белковыми субстанциями. В высоких
концентрациях М определяется в органах желудочно-кишечного тракта (BubenikG.A.,
1980), где определено также присутствие Фермента, необходимого для его синтеза
(НЮМТ) из триптофана (Quay W.B., MaY.H., 1976). Предположительно, синтез М
осуществляется энтерохромаф-Финными клетками слизистой ЖКТ (Raikhlin N.T. et al.,
1975).
Изменения уровня и ритмики секреции М было выявлено в различных физиологических и
патологических состояниях. Снижение продукции М отмечается у пожилых (Sack R.L
etal., 1986), приуменьшении в пищевом рационе продуктов, содержащих триптофан
(Zimmermann R.C. etal., 1993),упаци-ентов, страдающих инсомнией (Haimov I. et al., 1995)
и наследственной се-
85мейной инсомнией (Portaluppi F. et al., 1994), головными болями (Waldenlind E. et al.,
1994), депрессией (Wetterberg L. et al., 1979), ИБС (Brugger P. Et al., 1995), диабетической
полинейропатией (O'Brein J.A.D. etal., 1986), ревматоидным артритом (West S.K.,
Oosthuinen J.M., 1992), порфирией (Puy H. Et al., 1993), циррозом печени (Steindl P.E. et al.,
1995), различными онкологическими заболеваниями (Анисимов В.Н., Reiter R.J., 1990). У
пациентов с болезнью Альцгеймера и синдромом Альцгеймера, болезнью Пика было
определено нарушение ритмики продукции М (Uchida К. et al., 1996). Продукция М
снижается при применении р-блокаторов (Cowen P.J. et al., 1983), клониди-на (Lewy A.J. et
al., 1986), ингибиторов синтеза простагландинов (Murphy P.J. et al., 1996),
бензодиазепинов (Monteleone P. et al., 1989), алкоголя (Ekman A.C. et al., 1993),
антагонистов кальция (Meer А.С. et al., 1986). Кроме того, интенсивная физическая
нагрузка также'снижает уровень М в крови (Skrinar G.S. et al., 1989). Повышение уровня М
в крови определено у женщин с аменореей (Okatani Y., SagaraY., 1995), у мужчин с
гипогонадизмом (Ozata M. et al., 1996), улиц, принимающихтрициклические
антидепрессанты или ингибиторы МАО (Murphy D.L. etal., 1986; Skene D.J. etal., 1994), у
детей прием витамина В6 в вечернее время также приводил к повышению ночного уровня
М в крови, а его введение в утренние часы не меняло уровень дневной секреции М
(Munozhoyos A. et al., 1996). Некоторые авторы (Ferrari E. et al., 1989; Arendt J. etal., 1992)
выявили повышение уровня М в крови женщин с anorexia nervosa, поданным других
(Kennedy S.H. etal., 1993; Mortola J.F. etal., 1993), эти изменения отсутствуют.
Предполагается также участие М в патогенезе рассеянного склероза (Hutter C.D.D., Laing
P., 1996).
М опосредует свои эффекты как при воздействии на собственные рецепторы,
определенные на клеточных мембранах практически всех органов и тканей человеческого
организма, так и самостоятельно, в связи с высокой проницаемостью через клеточные
мембраны. Более того, было определено семейство < ядерных рецепторов к М (Becker-
Andre M. etal., 1994). Рецепторы к М у человека определены в pars tubberalis гипофиза и в
СХЯ гипоталамуса (Reppert S.M. et al., 1994), в pars distalis гипоталамуса (Weaver D.R. et
al., 1993), коре головного i мозга, мозжечке и таламусе (Mazzucchelli С. et al., 1996),
сетчатке (Dubocovich ; M.I., 1985),TpoM6o4HTax(VacasM.l.etal., 1992), лимфоцитах
(SteinhilberD. etal., 1995), нейтрофилах (Lopez-Gonzalez M.A. etal., 1993), почках (Song Y.,
etal., 1995), предстательной железе (Laudon M. etal., 1996), сперматозоидах (Van Vuuren
R.J. etal., 1992), яичниках (Yie S.-M. etal., 1995), печени (Acuna-Castroviejo D. Etal., 1994),
ЖКТ (Lee P.N. et al., 1991), стенках артерий крыс (Viswanathan M. et al., 1990) и приматов
(Stankov В. et al., 1993), мембранах кардиоцитов перепелов • (Pang C.S. et al., 1996).
Рецепторы являются специфическими мишенями М, од-нако в их отсутствии М также
может оказывать свои эффекты в связи с его быстрой диффузией внутрь клетки
(CostaaE.J.X. etal., 1995). М может связываться с кальмодулином и посредством этого
оказывать влияние на многие клеточные ■ функции, включая и митотическую функцию
(Benitez-KingG.,Anton-TayF., 1993). J Кроме того, М может действовать как
внутриклеточный антиоксидант (Reiter R.J. j et al., 1995). Плотность рецепторов к М на
органах-мишенях (количество активно связывающихся с М рецепторов) имеет также
циркадианный ритм, находя- ] щийся в противофазе к мелатониновому ритму (Faillace M.
P. etal., 1995). В экс-; периментах на животных продемонстрировано, что при удалении
эпифиза на- ■! рушается циркадианная ритмика плотности рецепторов к М, которая
восстанавливается при экзогенном введении М (Song Y. et al., 1996). Следовательно М ,
регулирует циркадианный ритм плотности собственных рецепторов.
86
К настоящему времени полностью охарактеризовать механизм воздействия М на
биологические ритмы организма не представляется возможным в связи с
недостаточностью необходимых фактов. Однако уже сейчас можно констатировать
следующее: М является основным мессенджером эндогенных ритмов, генерируемых СХЯ
и одновременно корректором эндогенных ритмов относительно экзогенных ритмов
окружающей среды (Sack R.L. et al., 1991; Lewy A.J. etal., 1992; Zaidan R. Etal., 1994;
Gillette M.U., McArthur A.J., 1995). В СХЯ определены и охарактеризованы специальные
рецепторы к М, при воздействии на которые М корректирует период эндогенных ритмов,
генерируемых СХЯ, относительно ритмов внешней среды (Wittenderbyy P.A., Dubocovich
M.L., 1996). Этот эффект осуществляется посредством регуляции активности участков
ДНК, отвечающих за синтез РНК клетками СХЯ (Rosa A.L. et al., 1996). М оказывает
влияние на биологические ритмы организма путем связывания с собственными
рецепторами, находящимися на органах-мишенях (Dubocovich M.L. et al., 1995). В
опосредовании ритмогенных эффектов М играет роль не только его уровень в кровотоке,
но также и продолжительность его ночной продукции (Reiter R.J., 1993). РольМ как
регулятора биологических ритмов универсальна для всех живых организмов, о чем
свидетельствует факт присутствия М и циркадианный ритм его продукции у всех
известных организмов, начиная с одноклеточных (Balzer I., 1996), и у растений (Balzerl.,
Hardeland R., 1996). По всей видимости, у высших млекопитающих и человека помимо
мелатонинового пути существуют и другие, осуществляющие передачу информации о
ритмах, генерируемых СХЯ до органов и тканей. Однако роль М главенствующая, о чем
свидетельствуют экспериментальные работы на животных, у которых при удалении
эпифиза основные физиологические функции утрачивают циркадианную ритмику
(Molinaborja М., 1996) или их ритмы становятся свободно-текущими (Heigl S., Gwinner E.,
1995). Используя различные схемы введения М пинеалэктомированным животным,
исследователям удалось смоделировать восстановление циркади-анных ритмов
локомоторной активности и пищевого поведения с периодами от 21 до 27 часов, причем
период циркадианных ритмов зависел от схемы введения М (Heigl S., Gwinner E., 1995).
Возможно, что сам эпифиз обладает способностью генерировать цирка-дианные ритмы, о
чем свидетельствует эксперимент, в котором удаленные у рыб эпифизы и сетчатки глаза
помещали в питательный раствор. Секреция М удаленными эпифизами продолжала
осуществляться в строго циркадиан-ном ритме в условиях полной темноты в течение 5
суток после помещения их в питательный раствор, в то время как продукция М
удаленными сетчатками носила аритмичный характер (Cahill G.M., 1996).
Эффект М на циркадианные ритмы прямо противоположен эффекту света. Экспозиция
ярким светом в дневное время не оказывает влияния на центральную температуру, а в
ночное время — приводит к ее повышению (Badia Р- et al., 1991); последнее сопряжено с
подавлением секреции М и предотвращается одновременным введением М (Strassman R.J.
et al., 1991). В связи с тем, что воздействие ярким светом способно подавлять секрецию М
и обуславливать повышение центральной температуры в ночные часы, логично
заключить, что ночная продукция М является механизмом, целью которого является
синхронизация циркадианной ритмики и предотвращение повреждений циркадианного
ритма слабыми световыми стимулами в ночное время суток. Световые стимулы
достаточной интенсивности обуславливают в первой половине ночного периода
запаздывание фазы циркадианных рит-
87мов по сравнению с исходом, а во вторую половину ночи — опережение фазы
циркадианных ритмов. Определено, что в вечернее время в фазу начала повышения
продукции М даже слабое световое воздействие (250 люкс) может практически полностью
подавлять продукцию М, смещая начало его подъема на более поздние сроки, причем
размер сдвига фазы прямо коррелирует с интенсивностью светового воздействия и после
его окончания замечается отсутствие подъема продукции М, продолжительность которого
также прямо коррелирует с интенсивностью предшествующего светового воздействия
(Trinder J. et al., 1996). Следовательно, фазосмещающие эффекты света зависят от фазы
ритма продукции М, в которую происходит воздействие светом.
В связи с тем, что рецепторы к М определены в СХЯ гипоталамуса (Reppert ■ S.M. et al.,
1994), введение М способно синхронизировать свободно-текущие циркадианные ритмы
(Petrie К. et al., 1993) и смещать фазы циркадианных ритмов у людей (LewyA.J. et al.,
1992). Данные исследований последних лет убедительно свидетельствуют, что для
получения эффекта сдвига фаз при воздействии ярким светом необходимым условием
является подавление светом продукции М. При одновременном воздействии ярким светом
и введении М (1 мг — за час до световой экспозиции и 1 мг — через 2 часа после начала
экспозиции) эффекта сдвига фаз не наблюдается (Zaidan R. Et al., 1994). В условиях
полярных широт, когда светопериод не меняется в течение длительного времени, у части
людей (не коренных жителей) может отмечаться появление свободнотекущих ритмов
продукции М, несмотря на наличие социальных датчиков времени (Kennaway D.J., Van
Dorp C.F., 1991). В эксперименте на добровольцах при помещении их в условия
сумеречного света сро-; ком на 21 день с сохранением социальных датчиков времени в
виде наруч-, ных часов также отмечалось появление свободнотекущих ритмов продукции |
М. Субъективно испытуемые отмечали снижение настроения, сонливость в] дневное
время и ухудшение ночного сна (Middleton В. et al., 1996). Эти факты \ свидетельствуют о
вторичности, по сравнению со светопериодом, соци- j альных датчиков времени и других
природных регуляторов циркадианных! ритмов, каковыми являются колебания
электромагнитного поля Земли и тем- \ пература (Firth B.T., Kennaway D.J., 1989;
Bergiannaki J. etal., 1996).
Вслед за первым сообщением о способности М оказывать гипотермичес- ] кий эффект
(Weitzman E.D. et al., 1982), было выявлено, что ночная секреция1 М играет важную роль
в формировании амплитуды циркадианного ритма тем-1 пературы тела (Cagnacci A. et al.,
1992). В результате экспериментальных! исследований при введении М в дневное время и
подавлении его ночной! продукции было показано, что надпороговые уровни М
вкровиобуславлива-1 ют снижение амплитуды циркадианного ритма температуры тела на
40-50%| (Cagnacci A. et al., 1994). Этот эффект М продемонстрирован у мужчин!
(Strassman R.J. et al., 1991) и у женщин в течение фолликулярной фазы мен-| струального
цикла (Cagnacci A. et al., 1992). Отсутствие эффекта или очень! незначительный эффект
зарегистрирован у женщин, по крайней мере, вдвух| физиологических ситуациях: в
лютеиновой фазе менструального цикла и ' пожилых (Van Coeverden etal., 1991; Cagnacci
A. etal., 1996). В исследовании! Dawson с соавт. (1996) продемонстрировано, что не только
фармакологичес-| кие, но и физиологические дозы М, введенные в 16 часов, приводят к
сниже-| нию центральной температуры тела. Причем, продолжительность гипотер-1
мического эффекта и степень снижения температуры прямо коррелировали! с дозой
введенного М (Dawson D. Et al., 1996). Структуры, на которые воз-| действует М при
регуляции циркадианного температурного ритма, до насто-j
88
ящего времени не определены. Центры терморегуляции располагаются в преоптических
областях переднего гипоталамуса. Присутствие рецепторов к М определено в нейронах
преоптической зоны (Krause D.N., Dubocovich M.L., 1990). Центральная
серотонинергическая активация индуцирует снижение центральной температуры тела, по
крайней мере, на животных продемонстрировано, что уровни серотонина в ЦНС
повышаются после экзогенного введения М (Anton-Tay F. etal., 1968).
Изменения сосудистого тонуса также могут оказывать эффект на терморегуляцию. В
экспериментах на крысах показано, что М оказывает влияние на тонус церебральных и
периферических артерий (Krause D.N. etal., 1995). Изменения тонуса церебральных
артерий в эксперименте при пропускании через них охлажденной или теплой крови
регулируют функциональную активность термочувствительных нейронов преоптической
области (Boulant J.A., 1981), Посредством влияния на периферический кровоток можно
изменять теплоотдачу (Viswanathan M. etal., 1990). Аналогичные эффекты М были
продемонстрированы и на людях: введение экзогенного М изменяло кровоток в
церебральных артериях и усиливало периферическую теплоотдачу (Cagnacci A. et al.,
1996).
Возможно, что М влияет на теплопродукцию. Не обусловленная дрожью, теплопродукция,
преимущественно, является следствием секреции катехо-ламинов и гормонов щитовидной
железы (Leduc J., 1976). Введение М приводит к снижению стимулированной продукции
норадреналина (Cagnacci A. etal., 1996) и, возможно, снижает активность тиреоидных
гормонов, что следует из факта: введение М приводит к повышению в крови ТТГ и не
меняет уровни тиреоидных гормонов, что может говорить о том, что М угнетает«спо-
собность тиреоидных гормонов по механизму обратной связи воздействовать на
продукцию ТТГ (MelisG.В. etal., 1995).
Изменения температуры тела под воздействием М могут быть также обусловлены
изменением активности СХЯ гипоталамуса. Циркадианный ритм температуры тела, так
же как и другие биологические ритмы организма, задается СХЯ. Присутствие рецепторов
к М в СХЯ выявлено в большом количестве исследований (Reppert S.M. et al., 1988; Krause
D.N., Dubocovich M.L., 1990). M изменяет метаболическую (Cassone V.M. et al., 1988) и
электрическую (McArthur A.J. et al., 1991) активность нейронов СХЯ и при введении его
людям показано, что М оказывает фазосмещающий эффект на циркадианные
биологические ритмы (LewyA.J. et al,, 1992). Однако эффект М в плане смещения фаз не
опосредован через изменения центральной температуры, так как он зависит от времени
введения М (Zaidan R. et al., 1994), в то время как ответ центральной температуры на
введение М не зависит от времени суток и одинаков на протяжении всего 24-часового
периода (Cagnacci A. et а'-, 1992). Эти факты заставляют с большой долей сомнений
относиться к гипотезе Deacon с соавт. (1994), предположивших, что снижение
температуры тела может приводить к смещению фаз циркадианного ритма,
предварительно смещенного введением М.
Сезонные изменения длительности ночной продукции М у животных явля-ются хорошо
известным фактом (Cagnacci A., Volpe A., 1996). В условиях искусственного удлинения
темного промежутка суток у людей было продемон-стРировано увеличение
продолжительности продукции М в темное время, то есть продолжительность продукции
М прямо коррелировала с продолжитель-н°стью ночи (Illerova H. etal., 1985). Сезонные
вариации продолжительности ночной продукции М выявлены в большом количестве
исследований (Kauppila
89A.etal., 1987; BojkowskiC.J., Arendt J., 1988). Таким образом, у людей, как и у животных
изменения фотопериода обусловливают изменения продолжительности ночной продукции
М, которая, в свою очередь, перестраивает эндогенные ритмы организма в соответствии с
изменениями окружающей среды, также тесно связанными с продолжительностью
фотопериода, как и ночная продукция М (Honma К. et al., 1992). Изменения в
продолжительности продукции М могут отмечаться только в том случае, когда начало и
конец ночной продукции М регулируются двумя различными механизмами. Была
высказана гипотеза, что у животных одни циркадианные часы регулируют начало ночной
продукции М, в другие — конец (Illnerova H. etal., 1989), а недавно наличие аналогичной
регуляции было предположено у людей (WehrT.A. etal., 1995). Экспозиция ярким светом в
утренние часы сокращает продолжительность ночной продукции М, сдвигая ее начало на
более поздние сроки, а конец — на более ранние. При введении М одновременно с
воздействием ярким светом сдвиг фазы конца продукции не отмечался, а сдвиг начала
продукции на более поздние сроки практически удваивался (WehrT.A. etal., 1993, 1995).
Конкретные структуры, на которые воздействует М для осуществления контроля за
началом и окончанием собственной продукции неизвестны, однако для опосредования
этих эффектов наиболее вероятны СХЯ гипоталамуса, в которых выявлены популяции
нейронов, разнонаправлено отвечающих на воздействие М (Margraf R.R., Lynch G.B.,
1993).
Таким образом, М представляет собой гормон, обладающий уникальными адаптивными
возможностями. Нарушение его продукции, как количественно, так и ритма, являются
пусковым моментом, приводящим на начальных этапах к возникновению десинхроноза, за
которым следует возникновение органической патологии.
Литература
1. Arendt J. Melatonin and the mammalian pineal gland. - Chapman & Hall. 1995. 321 p.
2. LewyA.J., WehrT.A..Goodwin F.K., etal. Light suppresses melatonin secretion in
humans//Science. 1980. V. 210. P. 1267-1269.
3. Raikhlin N.T., Kvetnoy I.M., Tolkachev V.N. Melatonin may be synthesized in
enterochromaff in cells //Nature. 1975. Vol. 255. P. 344-345.
4. Reiter R. J. Pineal melatonin: Cell biology of its synthesis and of its physiobiological
interactions//Endocrinol. Rev. 1991. V. 12. P. 151 -180.
5. Reiter R. J. The melatonin rhythm: both a clock and a calendar//Experientia. 1993. V.
49. №8. P. 654-664.
6. Reiter R.J., Melchiorri D., SewerynekE., etal. A review off the evidence supporting
melatonin'sroleasanantioxidant//J. Pineal Res. 1995. V. 18. P. 2-11.
7. Touitou Y. and Haus E. (eds). Biologic rhythms in clinical and laboratory medicine.
Springer-Verlag. 1992. 730 p.
Околочасовые биологические ритмы
Распространение, природа,значение, связи с циркадианной ритмикой
В.Я. Бродский
Околочасовые внутриклеточные ритмы открыты более 30 лет тому назад (обзоры Brodsky,
1975, 1992; Бродский, Нечаева, 1988); в западной литературе они называются
«ультрадианными». Такие ритмы с периодами от 20 мин до 2 часов известны для многих
свойств клетки: синтеза белка и его этапов -аминоацилирования и включения
аминокислот, секреции, аксоплазматичес-кого тока, активности ферментов (изучено около
20 в разных клетках), концентрации АТФ и других аденилатов, включая цАМФ.
полиаминов, дыхания клеток, рН цитоплазмы и отдельно лизосом, в некоторых случаях
белковой массы клеток и их размеров и др. Они найдены у бактерий, одноклеточных и в
клетках различных позвоночных и беспозвоночных животных, а также у растений. Эти
ритмы выявлены в бластомерах морского ежа и в дифференцированных клетках
позвоночных in situ и in vitro, например, в различных нервных и в железистых клетках.
Известны органные околочасовые ритмы. У позвоночных это, например, интегральные
ритмы дыхания, частоты сердечных сокращений (пульса), температуры тела, активности
мозга, концентрации гормонов в крови (около 10 примеров разных гормонов у различных
животных и человека). Ритмы активности пищеварительной системы также имеют четкие
околочасовые составляющие: таков ритм синтеза и выделения слюны, секреции
ферментов поджелудочной железы и желчи, сокращений желудка и кишечн,ика.
Поведению животных, их подвижности также свойственна околочасовая периодичность.
Литература по околочасовым ритмам составляет несколько сот названий, изучаются они в
лабораториях разных странах (см. сборник монографических обзоров под ред. Lloyd and
Rossi, 1992).
Для выявления околочасовых ритмов образцы (клеточные или тканевые культуры,
изолированные клетки, срезы органа, пробы крови и т.д.) берут через 5-10 мин. в течение
2 часов и более. В выявлении колебаний любого признака существенна
воспроизводимость измерений, отделение ритма от шума, обусловленного погрешностями
метода измерения. Например, в исследованиях ритма синтеза белка в клеточной культуре,
главного объекта многих исследований, важно учитывать вариабельность числа клеток в
различных образцах: на разных стеклах, в разных чашках и др. Вводить поправку на
содержание белка вряд ли корректно. Эта величина зависит от синтеза белка и, кроме
того, белок может входить в состав подложки, к которой прикрепляются клетки.
Возможны следующие пути: (1) брать несколько десятков культур в каждой точке
времени, пренебрегая вариабильностью клеточного состава, т.е. вводя его в погрешность
определения среднего; (2) относить измеряемую величину включения к содержанию ДНК
в той же культуре; некоторое ограничение этого метода в том, что в некоторых клеточных
культурах, например, печени, может быть много двуядерных и одноядерных
полиплоидных клеток, т.е. величина включения относится не к клетке, а к геному; или (3)
исключать число клеток в конечной величине, характеризующей интенсивность синтеза
белка, Рассчитывая включение, относительное к пулу. Такой путь принят в наших ра-
90
91ботах, цитирующихся в этой статье. Измеряется не только включение аминокислоты в
белки, но также пул меченой аминокислоты в той же культуре. Рассчитывается
относительная величина включения с поправкой на пул. Поскольку включение и пул
характеризуют одно и то же число клеток, эта величина, входя в числитель и знаменатель
уравнения относительного включения, сокращается, и синтез белка корректно
определяется для культур с существенно разным числом клеток. При таких измерениях в
каждой точке времени берется всего три культуры, чтобы оценить вариабильность
интенсивности синтеза белка в разных группах однородных клеток.
Некоторые околочасовые ритмы обнаружены при наблюдении одной и той же живой
клетки. Так, определен околочасовой ритм УФ поглощения белков изолированного
нейрона механорецепхора рака, фактически содержания белков в перикарионе нейрона
(Загускин и др., 1980). Найдены оклочасовые колебания внутриклеточного рН в отдельной
клетке двух разных культур (Литин-ская и др., 1987). Выявлен также околочасовой ритм
изменений интенсивности окраски гепатоцита in vitro родамином 123, т.е. энергетического
потенциала клетки (Косых, Ченцов, 1994). Эти работы принципиально важны. Обычно об
околочасовых и других ритмах судят по суммарным измерениям клеточной популяции,
например, культуры из многих тысяч клеток, или среза органа, содержащего тысячи
разнородных клеток нескольких тканей или не менее сложного по клеточному составу
биоптата. Определение ритма в одной клетке по-; зволяет считать клетку элементарным
осциллятором, а популяцию неким сообществом осцилляторов. В ряде исследований,
которые будут далее рассмотрены, выявлено взаимодействие клеток в формировании
суммарного популя-ционного ритма. Интересны первые наблюдения взаимодействия
разнородных клеток одного органа и даже различных органов.
Ряд свойств околочасовых ритмов приводят к выводу об их сходстве с
детерминированными фракталами, хаотическими, но неслучайными колебаниями,
отличающимися от беспорядочного шума определенной внутренней структурой очень
разных на вид кривых. Свойства таких ритмов: значительная нерегулярность
(вариабильность периодов), детерминированность (определяемой для живых организмов
наследственностью, а также неслучайными свойствами среды их обитания), устойчивость
к внешним воздействиям и способность к адаптивному ответу на периодические
раздражители. Главное в оценке фрактальной природы - масштабная инвариантность
околочасовых колебаний: они выявляются при разном масштабе шкалы - размерной или
временной. Не вдаваясь в детали структуры фракталов (обзор по общей характеристике
фракталов - Федер, 1991; применительно к свойствам околочасовых ритмов - Бродский,
1998), отметим следствия важные для понимания значимости околочасовых ритмов.
Будучи нерегулярными, с внешне хаотически чередующимися разными периодами,
околочасовые ритмы устойчивы по набору периодов. При существенных
неспецифических воздействиях на клетки, например, при изменениях температуры среды,
колебания сохраняются, и набор периодов изменяется мало. Явление названо
«температурной компенсацией» и характеризует, по мнению авторов, стабильность связи
между околочасовыми и цир-кадианными ритмами (Kippert, Lloyd, 1987; Llod, Lloyd,
1993). Наиболее яркий пример стабильности набора периодов колебаний околочасового
внутриклеточного ритма при изменениях температуры среды приведен в работах А. Д.
Харазовой, Н.В. Нечаевой и др. (Сергеева и др., 1987; Харазова, Нечаева, 1988; Нечаева,
Харазова, 1989). При снижении температуры морской,
92
воды вдвое, с 16 до 8'С, средний уровень синтеза белка в изолированных жабрах мидии
сильно снижался, но набор периодов колебаний синтеза - от 20 до 60-70 мин - сохранялся.
Иной результат наблюдали при периодических воздействиях на клетку и орган. При этом
из широкого набора периодов околочасового ритма отбиралась часть из них, и ритм
внешне преобразовывался. Так, после периодических кормлений крыс - с 2-х или же 6-
часовыми промежутками - из природного ритма изменений белковой массы ацинарных
клеток околоушной слюнной железы с периодами от 20-30 мин до 100-120 мин -
оставались или короткие периоды ритма 20-40 мин (после коротких воздействий на
орган), или только длинные от 60-70 до 120 мин после втрое больших промежутков между
воздействиями. Но в относительном масштабе времени кривые совпадали, не различались
и фрактальные размерности для разных кривых (Бродский, 1998). Эти данные, как и
некоторые другие доказали фрактальную природу околочасовых колебаний и, что
существенно, обосновали адаптивность казалось бы хаотических изменений. Отбор частот
- один из способов приспособления клеток и органа к внешним воздействиям,
оптимизации определенной функции.
Циркадианные ритмы многих изученных функций складываются из околочасовых
колебаний (Бродский, Нечаева, 1988; Lloyd and Rossi, 1992). Цирка-дианный ритм, как
известно, имеет четкий пейсмекер и входит в генетические программы организма.
Формирование такого ритма из хаотических (хотя и организованных) колебаний
сказывается на некоторой нестабильности, как 24-часового «среднего» периода, так и на
положении максимума в течение суток. Измерения этих параметров индивидуально у
нескольких животных или, лучше, несколько суток подряд выявляют такую
вариабильность. Так, что Е.М. Берляковаиз лаборатории А.Н. Бекчанова, измеряя
содержание белков и интенсивность синтеза белка в клетках эпифиза (Берлякова, 1994),
обнаружила 24-часовой период циркадианного цикла, скорее, исключение, чем правило.
Реально периоды варьировали от 20 до 27 часов. Околочасовые колебания в этой работе
не изучали. Можно, однако, предполагать, что именно они определили некоторую
нестабильность циркадианного ритма.
Математическое обоснование отношений циркадианного и околочасовых ритмов одного
признака дается в работе С.Л. Загускина и др. (1991). Сравнивали идеальное уравнение
циркадианного ритма с интегральным цирка-дианным ритмом, составленным из
околочасовых колебаний. Последний оптимизировали через околочасовые ритмы,
проверяя его приближение к идеальной синусоиде. В расчетах изменяли различные
параметры, определяя подстройку оптимизированного ритма к идеальному. Наиболее
эффективным оказался поиск по среднему уровню колебаний. Также удовлетворительно
подстраивалась фаза и частота, хотя это требовало некоторого времени.
Малоэффективным оказался поиск по амплитуде. В работе отмечается, что поиск
оптимальной настройки циркадианного ритма можно рассматривать как отбор
оптимальных околочасовых колебаний. Важный вывод из модели С.Л. Загускина и др. -
возможность влияния на базовый циркадиан-ный ритм через изменения околочасовых его
составляющих.
Фрактальные, то есть хаотические колебания не инициируются извне определенным
датчиком времени. Геофизические колебания в околочасовом интервале известны
(Brodsky, 1992). Так, изменяется, например, диаметр Солнца, мерцают некоторые
пульсары; отмечены также околочасовые нерегулярные сотрясения земной поверхности,
отличные от землетрясений. Все эти изменения пока сложно связать с околочасовыми
внутриклеточными рит-
93мами. Внутренний пейсмекер околочасовых колебаний искали, пробуя выявить влияние
одного внутриклеточного ритма на другой. Очевидно, что таким водителем разных
околочасовых внутриклеточных ритмов может быть околочасовой ритм некоего базового
клеточного свойства. Вероятными кандидатами ведущего ритма взяли околочасовой ритм
рН и такой же ритм АТФ. Исследовали влияния изменений рН и концентрации АТФ на
ритм синтеза белка в культуре гепатоцитов. Изменения рН в среде и в гепатоцитах in vitro
сильно сказывались на среднем уровне синтеза белка в клетках, но колебания сохранялись
(Литинская и др. 1987). Таким же был результат изменений концентрации АТФ в
культивируемых гепатоцитах (Brodsky et al., 1992). В эксперименте снижали или
увеличивали концентрацию АТФ. Синтез белка в клетках значительно изменялся, но ритм
был обнаружен при разном уровне АТФ. Если идея о фрактальной природе околочасовых
колебаний верна, один определенный датчик времени вряд ли будет выявлен. Однако,
несколько пейсмекеров могут быть и, более того, именно этим обстоятельством,
возможно, объясняется хаотичность изменений.
Среди известных биологических ритмов выделяются две большие группы. Первая имеет
очевидный датчик времени. Это, прежде всего циркадианные ритмы, сложившиеся, как
реакция организмов на смену дня и ночи, а также другие многочасовые ритмы, например,
ритмы приливов-отливов мирового океана, реакция на лунное притяжение, и более
протяженные многодневные ритмы - лунные, сезонные, годовые и др. Вторая группа
ритмов - собственно клеточные. Это быстрые и сверхбыстрые ритмы: милисекундные,
например, элементарные ритмы электрической активности нейронов; секундные - ритмы
пуль-? са, кальциевых «волн» и др.; минутные - колебания гликолиза, активности
ферментов; околочасовые - также метаболические, элементарные для ритма син- t теза
белка и интегральные для активности ферментов, пульса, активности моз-1 га и др.
Интегральность - характерная черта биоритмов. Даже длинные, иници- i ируемые извне и
генетически программированные, ритмы складываются из коротких собственно
клеточных. Так же как околочасовые колебания, другие клеточные ритмы, скорее всего,
тоже фракталы, то есть, хотя и детерминированные и закономерные, но в основе своей
хаотические изменения. Видимо, интегральность циркадианных ритмов и определяет
некоторую их нестабильность и возможность направленных влияний на их параметры.
Фрактальная природа околочасовых ритмов обоснована не только для внутриклеточных,
но также и для органных колебаний. Так, в одной работе изучали циркадианный ритм
подвижности крыс (Kaiser, Hildwein, 1974) и нашли его: ночью крысы активнее, чем днем.
Этот суточный ритм, как и многие: другие, складывается из околочасовых. Измерения
проводили через 15 минут. Если преобразовать эту кривую с интервалами между
отсчетами в 30 мин или через 60 мин получаются очень разные кривые; средние периоды
разли чались более чем втрое. Но фрактальная их размерность оказалась практи-j чески
одинаковой (Бродский, 1998).
Исследование подвижности крыс - один из примеров многочисленных фи-' зиологических
и психологических работ, выявивших околочасовые ритмы по-,; ведения животных и
человека (Lloyd, Rossi, 1992). В работах 50-80 годов обнаружен такой ритм активности
мыши, полевки, землеройки, морской свинки, обезьян, причем во многих работах
исследовали подвижность одного и того1 же животного. По некоторым психологическим
тестам таков же ритм поведе-; ния человека. Не исключено, что подобные сложные
полифункциональные! ритмы определяются базовым интегральным околочасовым
ритмом электри-
94
ческой активности мозга. Давний и классический пример - смена фаз сна у человека и
других млекопитающих. В современных работах такой же околочасовой ритм активности
мозга найден и в состоянии бодрствования.
В ряде работ (Goldberger, West, 1987; Barnsle et al., 1987; Skinner, Goldberger, 1990; Lloyd
etal., 1992; Elbertetal., 1993) была обоснована фрактальная природа ритмов пульса. Ритм
сердечных сокращений, пульса, как известно, примерно секундный. Давно выделены
интегральные его производные - околочасовые и циркадианные. Фрактальная основа
математически обоснована для околочасовых колебаний.
Недавно появились обоснования фрактальной природы ритма дыхания (Szetoetal., 1990).
Итак, околочасовые ритмы, как внутриклеточные, так и органные, имеющие в основе
клеточную природу, это, вероятно, фракталы. Идея о фрактальной природе сравнительно
нова (некоторую литературу см. выше, обзор Бродский, 1998). В гораздо более давнем
обзоре (Brodsky, 1975) была высказана иная возможность, затем детально исследованная в
лаборатории Д. Гилберта (Ferreira, 1994; Ferreira et al., 1994), о том что нерегулярность
околочасовых ритмов - результат сложения многих правильных гармоник. Такая
возможность заведомо допустима. Например, в суммарную кривую интенсивности
синтеза белка могут входить показатели десятков или даже сотен белков,