для чего военные используют адреналин
Адреналин
Адреналин — гормон, биологически активное вещество, нейромедиатор, который вырабатывается в организме живых существ, в том числе и человека, в коре надпочечников. Образуется этот гормон из аминокислоты тирозин, которая поступает в организм при распаде белковой пищи. Второе название этого биологически активного вещества — эпинефрин (в переводе обозначает «возле почки» или «над почкой»). В разных странах его называют по-разному. В Америке его знают как эпинефрин, в России — как адреналин. Однако, рецепторы, на которые действует адреналин, называют именно адренорецепторами, и они имеются во всех органах и тканях нашего организма.
Рецепторы делятся на α-адренорецепторы и β-адренорецепторы; α-рецепторы, в свою очередь, делятся на α1- и α2-адренорецепторы. Такого рода деление необходимо для того, чтобы понимать, какое действие на организм производит выработанный адреналин.
Когда вырабатывается адреналин
Адреналин вырабатывается в случаях стресса, травмы, ожогов, шока, физических нагрузок, эмоциональных встрясок. Его выработка — это адаптационный процесс к сложившейся ситуации. Например, при болевом шоке, благодаря адреналину, человек не ощущает в полной мере болевых ощущений. В противном случае наступил бы летальный исход от болевой реакции.
Адреналин вырабатывается для того, чтобы сделать организм более быстрым, более сильным. Другими словами этот гормон мобилизирует все силы организма.
У любого живого организма в природе существуют защитные функции, одна из которых называется «бей или беги». То есть срабатывает животный защитный инстинкт во время стресса, когда необходимо либо обороняться, либо убегать. Это физиологический процесс, происходящий независимо от наших желаний.
Благодаря адреналину, повышается настроение и желание осуществлять задуманное.
Интересный факт!
Для каждого человека уровень адреналина сугубо индивидуален. Существуют люди, для которых эта планка достаточно высока, и, чтобы её держать, им нужно идти в горы, играть в казино, заниматься экстремальными видами спорта. Действие адреналина после выброса длится не более пяти минут, потому что включаются процессы его инактивации. При падении уровня гормона наступает апатия и депрессия. Поэтому активным людям необходимо снова и снова его восполнять. У других — уровень этого гормона довольно низкий, и их устраивают абсолютно пассивные виды отдыха: диван, телевизор, чтение книг. Это зависит от индивидуальных особенностей характера человека, его темперамента, наследственных факторов и т. д. Мы все индивидуальны.
Физиологическое действие адреналина на организм
Адреналин сужает сосуды кожи, брюшной полости и слизистых оболочек. При этом расширяет сосуды сердца и головного мозга. Незначительно расширяет сосуды скелетных мышц. Таким образом, происходит перераспределение крови в организме, вследствие чего, к мозгу, сердцу и скелетным мышцам «приходит» большее количество крови, чем в обычной ситуации.
Интересный факт!
Физиологическая реакция сердца на выброс адреналина
Действие адреналина на сердце довольно сложное и осуществляется в несколько этапов.
Это происходит благодаря наличию нескольких видов рецепторов, воспринимающих адреналин.
Сначала число сердечных сокращений и сердечный выброс значительно увеличиваются, благодаря чему растёт артериальное давление. На второй стадии наблюдается снижение числа сердечных сокращений, благодаря стимуляции блуждающего нерва, артериальное давление при этом временно прекращает расти. На третьей стадии сердечный выброс растёт, число сердечных сокращений увеличивается, повышается уровень артериального давления. На четвёртой стадии тахикардия остаётся, но артериальное давление понижается.
При регулярном выбросе адреналина происходит постоянная стимуляция сердечно-сосудистой системы. В результате наблюдается функциональная гипертрофия миокарда. Сердце, чтобы справиться с постоянной нагрузкой, наращивает свою мышечную массу.
Физиологическая реакция бронхолёгочной системы на выброс адреналина
Адреналин расслабляет гладкие мышцы бронхов. Тем самым, адреналин увеличивает приток воздуха в лёгкие и уменьшает одышку.
Физиологическая реакция внутренних органов на выброс адреналина
Сосуды внутренних органов под действием адреналина сужаются. Уменьшается кровоток в почках, печени, селезёнке. Следствием этого процесса может наблюдаться ухудшение питание тканей органов и их кислородное голодание.
Физиологическая реакция центральной и периферической нервной системы на выброс адреналина
Адреналин стимулирует симпатический отдел периферической нервной системы и в целом нервную систему. При этом усиливается общее напряжение, тревога, скорость реакций.
Отрицательное воздействие избыточного количества адреналина
При постоянном или частом выбросе адреналина надпочечниками происходит их истощение и истощение адреналовой системы в целом. Человек становится вялым, апатичным, слабым, безынициативным, депрессивным.
Избыточное количество адреналина в крови наблюдается при постоянной стимуляции симпатической нервной системы: при хроническом стрессе, во время постоянной тревоги, страха. При чрезмерной и частой выработке адреналина могут возникать так называемые панические атаки. Это функциональное состояние организма, при котором уровень адаптационных возможностей значительно меньше, нежели уровень адреналина.
Симптомы панических атак:
По-другому это состояние называют симпатоадреналовым или вегетативным кризом, вегетативной бурей, вегетоневрозом с кризовым течением и т. д. Это состояние не является органическим. Оно, хоть и очень неприятное и мучительное для пациентов, абсолютно функционально. Если выбросы адреналина продолжаются, панические атаки будут повторяться. Это состояние лечат и наблюдают психотерапевты, психиатры совместно с узкими специалистами. И лечение таких пациентов направлено именно на устранение причины, то есть на прекращение или уменьшение выброса и действия адреналина на организм.
У спортсменов такие состояния тоже наблюдаются. Это может быть связано с чрезмерными физическими и психологическими нагрузками. Особенно это проявляется перед серьёзными соревнованиями, когда на спортсмене лежит большая ответственность. Человек чувствует постоянное напряжение, и организм может отвечать на такие нагрузки вегетативными бурями.
Отрицательное действие адреналина на мужскую половую функцию
При избыточной выработке адреналина у мужчин происходит снижение эректильной функции. Это происходит потому, что сосуды, питающие пещеристые тела, сужаются, и кровенаполнение пещеристых тел значительно уменьшается. Этот эффект используют в своей практике врачи-урологи при воспалительных и инфекционных процессах у мужчин.
Физиологическая реакция скелетной мускулатуры на выброс адреналина
Как было описано ранее, при воздействии адреналина на скелетные мышцы, происходит расширение сосудов, и мышцы получают большее кровоснабжение, а, следовательно, и питание мышц кислородом и питательными веществами. Это действие крайне важно для людей, жизнь которых напрямую связана с повышенными физическими нагрузками. При постоянном воздействии адреналина на организм спортсменов со временем происходит функциональная гипертрофия скелетных мышц. Другими словами, объём мышц значительно увеличивается. Это происходит аналогично ранее описанной гипертрофии сердечной мышцы.
Физиологическая реакция желудочно — кишечного тракта на выброс адреналина
Адреналин расслабляет гладкую мускулатуру кишечника, тем самым уменьшая его перистальтику.
Важно!
Во время кровотечений адреналин действует на свёртывающую систему крови, высвобождая большое количество тромбоцитов, которые участвуют в образовании кровяного сгустка и остановке кровотечений.
Адреналин участвует в борьбе организма с чужеродными агентами — аллергенами, предотвращая аллергические реакции и их последствия. Поэтому врачи в данных случаях используют раствор адреналина в своей практике.
Адреналин обладает противовоспалительным свойством. При появлении воспалительного очага адреналин стимулирует иммунную систему, которая вырабатывает большое количество лейкоцитов.
Использование адреналина в современной медицине
В современной медицине адреналин используют как лекарственное средство. Выпускается оно в ампулах по 1 мл/1мг. Это достаточно серьёзный препарат. Очень часто он используется при неотложных состояниях.
Основные показания для применения:
Физиологическая реакция обмена веществ на выброс адреналина
Адреналин ускоряет расщепление жиров и ускоряет основной обмен. Поэтому считается, что эмоциональные люди всегда худее, чем люди, в меньшей степени подверженные эмоциям. Злость — это сильная эмоция. Поэтому говорят, что полные люди всегда добрые. Доброта, по своей сути, менее импульсивна.
Стимуляция выброса адреналина
Выработку адреналина можно стимулировать искусственным путём: спорт, физические нагрузки, эмоциональные встряски, игра в казино. Существует ряд профессий, неразрывно связанных с постоянной выработкой адреналина. Это лётчики, пожарные, врачи, спасатели, бизнесмены. Последние, хоть и не связаны с риском для жизни, однако, риск потерять большие суммы, стимулирует выброс не меньшего количества адреналина. Сюда же можно отнести и профессиональных игроков.
Роль адреналина для спортсменов
Неоспорим тот факт, что для спортсменов и людей, имеющих постоянные физические нагрузки, адреналин является незаменимым физиологическим помощником. Его можно назвать натуральным допингом в спортивной сфере. Благодаря ему берутся сумасшедшие высоты и достигаются головокружительные результаты.
Краткая история открытия Адреналина
Даже если многие считают достаточным, что мы сказали относительно поверхности почек, кто-нибудь может возразить, что я пренебрег чем-либо. Я полагаю, что это мнение анатомов, старательно не замечающих желез. Обе почки блокированы на конце по отношению к полой вене железами. Обе железы соединены со складкой брюшины таким способом, что если кто-то не очень внимателен, то он действительно пропускает их, как будто они отсутствуют. Их очертание сходно с формой почек … иногда одна бывает больше, иногда другая… ранние анатомы и те, кто пишет большие трактаты по этому искусству в наши дни, не сумели обнаружить их. Они, претендуя быть точными, упрямо отстаивая собственные и своих учителей ошибки, часто кажутся скорее бойцами, чем исследователями анатомической истины.
Бартоломео Евстахий (XVI век).
С тех пор, как Бартоломео Евстахий (1520 – 1574 гг.) – итальянский анатом, врач, ученый, лейб-медик папы, профессор древнейшего университета Италии Ла Сапиенца эпохи Возрождения, впервые описал и зарисовал надпочечники человека, прошло почти триста лет, как Томас Аддисон (1793 – 1860 гг.) – английский врач и физиолог, представил свой классический труд «О конституционных и местных эффектах заболеваний надпочечниковых капсул» в 1855 г., где описал клиническую картину надпочечниковой недостаточности, чем сподвиг исследователей к поиску физиологической роли этого загадочного на тот момент органа.
Рис. Бартоломео Евстахий
Рис. Томас Аддисон
Рис. Джордж Оливер
Он изобрел хитроумное устройство, позволяющее измерить диаметр лучевой артерии на запястье через неповрежденную кожу. Таким образом, он исследовал влияние вытяжки мозгового слоя надпочечников на толщину лучевой артерии у своего сына. Оливер обнаружил сужение лучевой артерии после подкожной инъекции вытяжки, с этими результатами, он приехал в Лондон к профессору Шарпей-Шэферу, который в то время занимался исследованием артериального давления у собак. Оливер настоял на том, чтобы профессор исследовал его «чудо экстракт». Вещество (привезенное в кармане врача) было введено в вену собаки и ртутный манометр показал максимально возможную величину артериального давления. Профессор был весьма удивлен такому эффекту.
Рис. Эдвард Альберт Шарпей-Шэфер
В 1894 г. Оливер и Шарпей-Шэфер уже демонстрировали на заседании «Физиологического общества» Университетского колледжа Лондона результаты исследования водного, спиртового и глицеринового экстрактов мозгового слоя надпочечников, и показали, что экстракт может влиять на кровеносные сосуды, сердце и скелетные мышцы. Так, в частности, они отмечали, что экстракт «воздействуя на кровеносные сосуды, сужает их до крайней степени, что приводит к чрезмерному подъему артериального давления». Данные эффекты были обусловлены наличием адреналина (вещества неизвестного тогда еще науке) в экстракте мозгового слоя надпочечников.
В дальнейшем Оливер и Шарпей-Шэфер показали, что причиной аддисоновой болезни является дефицит прессорной субстанции, обнаруженной ими в экстракте здоровых надпочечниках. Саму же субстанцию, в кристаллическом виде уже получили американцы, несколько лет спустя, после исследований Оливер и Шарпей-Шэфер. Ими были Джон Абель и Джокичи Такамине, они же и дали название: Абель – «Эпинефрин» (1897, 1899 гг.), Такамине – «Адреналин» (1901 г.).
Стоит отметить, что мало известны огромные труды отечественных ученых того же времени, что и англичан (1890е гг.): профессора кафедры физиологии Ягеллонского университета (г. Краков, Польша, Российская Империя) Наполеона Осиповича Цибульского (1854 – 1919 гг.), выпускника Медико-хирургической (Военно-медицинской) академии Петербурга и доктора Владислава Шимоновича, результаты которых были опубликованные в 1896 г. в «Военно-медицинском журнале».
Рис. Наполеон Осипович Цибульский
Профессор Цибульский еще с 1891 года занимался «выяснением функции надпочечниковой железы» и к концу 1893 г. систематическую работу над этим вопросом в лаборатории Цибульского начал доктор Шиманович, который поставил себе задачу: «исследовать развитие надпочечной железы, ознакомиться с ее гистологическим устройством в различных стадиях жизни; затем исследовать физиологическое действие самой железы на основании изменений, вызываемых ее удалением или введением вытяжек из нее в организм других животных».
История лекарства: адреналин
Поделиться:
«Добавочная» почка
Пожалуй, первое в истории (и не слишком точное) упоминание надпочечников принадлежит Галену. Великий медик описывал только левую железу и считал ее добавочной почечной тканью. Из-за малого размера надпочечников их то находили у вскрываемых животных, то не могли найти. А потому этот орган считали чем-то вроде шестого пальца — рудиментом, не имеющим собственной функции.
Настоящее изучение надпочечников началось только в XIX веке, когда провели свои исследования Томас Аддисон и Шарль Броун-Секар. Аддисон, английский врач, считающийся отцом эндокринологии, много лет подряд описывал симптомы, возникающие при туберкулезном и воспалительном поражении надпочечников.
Француз Броун-Секар, пытаясь в эксперименте получить те же симптомы, удалял животным оба надпочечника. После операции животные умирали в течение 24–36 часов, однако им можно было продлить жизнь, впрыснув вытяжку из надпочечников другого животного. Однако единственное, что удалось доказать таким образом, — это жизненную необходимость крошечной «добавочной почки».
Эксперименты на детях
Как это часто бывает в истории медицины, поворот произошел почти случайно. В середине 1890-х годов английский врач Джордж Оливер изобрел устройство, позволяющее определять диаметр сосудов не на вскрытых телах, а на живых людях. После этого он задумал исследовать влияние ряда веществ на сосудистый тонус и решил ставить опыты на членах своей семьи. Честь испробовать вытяжку из надпочечников рогатого скота (материалом для исследований Оливера снабжал местный мясник) выпала сынишке врача.
Оливер зафиксировал быстрое сужение артерии ребенка после подкожного введения вытяжки и, заинтригованный результатом, поехал в Лондон к профессору Эдварду Шэферу. Сэр Шэфер в этот период проводил исследования изменений артериального давления на собаках. Он отнесся к рассказу Оливера с недоверием, однако согласился вколоть вытяжку одному из подопытных животных. Каково же было удивление профессора, когда столбик манометра, измерявшего давление собаки, поднялся в считанные минуты! Давление собаки поднялось, а сосуды сузились.
Сразу после публикации результатов опыта химики всего мира взялись наперегонки выделять загадочную «прессорную субстанцию». Неочищенное вещество, получившее название «эпинефрин» («эпи» — над, «нефрос» — почка), вскоре выделил Джон Абель из Балтимора. А химически чистое соединение, которое было возможно синтезировать искусственно, в 1901 году получено японцем Дзёкити Такаминэ. Его начали выпускать под торговым названием «Адреналин».
Читайте также:
От собаки до бактерии: история инсулина
Читайте также: Вещество, управляющее нервами
Чистый адреналин стали использовать для регуляции низкого давления при шоковых состояниях (в частности, при анафилактическом шоке) и в кардиологии, не понимая при этом механизма его действия. Ведь ни Оливер, ни Шэфер не могли знать обо всех эффектах открытого вещества, поскольку необходимые знания были добыты лишь спустя три года.
Забегая вперед, скажем, что адреналин оказался нейромедиатором, влияющим на симпатический отдел вегетативной нервной системы. Симпатический отдел активируется при стрессовых реакциях, поэтому его еще часто называют «беги или сражайся».
Передача команд от вегетативной нервной системы (ВНС) к органам, на которые надо повлиять в данный момент, происходит с помощью специальных сигнальных веществ, называемых нейромедиаторами. Адреналин — нейромедиатор, влияющий на симпатическую часть нервной системы: он учащает сердцебиение, расширяет дыхательные пути, увеличивает кровоснабжение мышц. А вот деятельность желудка и кишечника он приостанавливает.
Выяснить значение адреналина для работы ВНС удалось берлинскому неврологу Максу Левандовски и физиологу из Кембриджа Томасу Эллиоту. Левандовски описал совпадение реакции зрачка на введение адреналина и на стимуляцию симпатической части нервной системы. Узнав об этом, Эллиот провел тщательное исследование реакции всех органов на адреналин и на электростимуляцию симпатики, и определил, что они абсолютно одинаковы.
Благодаря экспериментам Эллиота человечество получило «полный список» эффектов, которые адреналин оказывает на организм. Вещество стало возможно использовать не вслепую, а четко понимая показания и противопоказания в каждом конкретном случае. Его основное назначение в сегодняшней медицине — стимулировать работу сердца, одновременно облегчая ее путем сужения сосудов и подъема артериального давления.
Сегодня без адреналина невозможно представить работу кардиореанимации и терапию тяжелых аллергических состояний. «На счету» у него миллионы спасенных жизней — и, возможно, риск, которому Джордж Оливер подверг своего ребенка, был в чем-то оправдан.
Для чего военные используют адреналин
Адреналин считается средством выбора при всех видах остановки сердца. Это объясняется его способностью повышать тонус миокарда (бета-адреномиметический эффект), значительно увеличивать общее периферическое сосудистое сопротивление (альфа-адреномиметический эффект), не ухудшая, а даже улучшая коронарный и мозговой кровоток, переводить мелковолновую фибрилляцию в крупноволновую. Вызьюая централизацию кровообращения, препарат повышает диастолическое давление, увеличивая коронарный кровоток в фазе «диастолы» при закрытом массаже. Экспериментально и клинически установлена тесная взаимосвязь между уровнем диастолического давления и частотой восстановления сердечной деятельности.
В дозе 2-10 мкг/мин адреналин оказывает как альфа- так и бета-адреномиметический эффект. При увеличении дозы до 10-20 мкг/мин развивается преимущественно альфа-адреномиметический эффект, что приводит к повышению ОПСС и росту диастолического давления (Р. Марино, 1998). Стимулируя бета-адренорецепторы адреналин может способствовать переходу асистолии или электромеханической диссоциации в фибрилляцию желудочков. Фибрилляция значительно увеличивает потребность миокарда в кислороде pi истощает его энергетические резервы. Все это диктует необходимость быстрейшей (не позднее 30-60 секунд) электрической дефибрилляции после введения адреналина, а также служит основанием прибегать к ней при невозможности ЭКГ-контроля за состоянием сердца.
Болюсная доза адреналина при внутривенном введении у взрослых составляет 0,5-1 мг (около 7-10 мкг/кг). В силу быстрого разрушения повторное введение выполняется через 3-5 минут, с постепенным увеличением дозировки до 2-5 мг. Введение адреналина должно предшествовать инфузии бикарбоната, так как при смешении последний инактивирует адреналин. Суммарная доза адреналина может достигать 10 15 мг (10-15 мл 0,1% раствора). Вместе с тем, убедительных данных зависимости успеха реанимации от увеличения доз препарата не выявлено. По данным конференции реаниматологов в США в 1992 году, выживаемость больных оказалась одинаковой как при малых, так и при больших дозах адреналина. Хотя, как указывается, достичь высокого диастолического давления в аорте с помощью стандартных доз не всегда удается. Более заметный положительный эффект высоких доч адренатина проявляется при асистолии, чем при фибрилляции. При отсутствии эффекта от адреналина при ЭМД целесообразно использовать альфа-агонист метоксамин в дозе 20 мг. По рекомендации ассоциации кардиологов и реаниматологов Европы (2001), при фибрилляции у взрослых обосновано сочетание адреналина (1 мг) с вазопрессином (40 ед).
Адреналин нельзя вводить при наркозе фторотаном, даже в малых дозах, так как фторотан сенсибилизирует бета-рецепторы миокарда к адренатину и может вызвать фибрилляцию желудочков. В то же время при остановке сердца на фоне фторотанового наркоза введение адреналина, по-видимому, нельзя считать противопоказанным, если при реанимации есть возможность прибегнуть к электрической дефибрилляции.
«Скандальные» молекулы с двумя названиями, которые командуют: «Бей или беги!»
«Скандальные» молекулы с двумя названиями, которые командуют: «Бей или беги!»
Волк и зайчик испытывают разные эмоции при встрече. Один боится и хочет убежать, а другой готов к нападению. В обеих этих реакциях принимают участие две очень важные молекулы — адреналин и норадреналин.
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Две молекулы — адреналин и норадреналин — вовлечены в управление реакциями человека в минуту опасности или сильного эмоционального напряжения. В статье рассказывается о том, какие физиологические процессы происходят в организме при их участии и обеспечивают возможность быстрого реагирования наших мышц на экстремальные ситуации.
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021
Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.
Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.
Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Что же это за вещество такое — адреналин?
Адреналин — катехоламин, гормон, выделяющийся из корковых структур надпочечников. В переводе с английского adrenal означает «надпочечник», что и дало название этому гормону. Открытие адреналина сопровождалось спорами о приоритетах: кто первым обнаружил, кто первым раскрыл механизм действия. Именно поэтому адреналин считается одной из самых «скандальных» молекул. В 1891–1894 гг. наши соотечественники, переехавшие в Польшу, Наполеон Цыбульский и Владислав Симонович (в некоторых источниках Ладислав Шиманович) исследовали физиологические эффекты экстрактов из надпочечников. Было выдвинуто предположение о том, что вещества, выделяемые этим органом, регулируют работу сердечно-сосудистой и нервной систем. Однако в англоязычной литературе приоритет открытия адреналина как экстракта надпочечников приписывают Джорджу Оливеру и Эдварду Шафферу. В 1895 году в экспериментах, которые Оливер проводил на собственном сыне, было установлено, что экстракт надпочечников вызывает сужение лучевой артерии в руке и повышает давление. Впоследствии авторы опубликовали работу, в которой показали увеличение сокращений мышцы после добавления к ней раствора, экстрагированного из надпочечников (рис. 1). К сожалению, Цыбульский и Симонович так и не стали оспаривать первенство.
Рисунок 1. Записи сокращений скелетной мышцы лягушки в исходных условиях (а) и после добавления экстракта надпочечников (б). Амплитуда и длительность суммарного сигнала выросла.
Экстракт надпочечников содержал смесь различных компонентов. Поэтому необходимо было определить то активное соединение, которое оказывало стимулирующий эффект. И в этой ситуации опять не обошлось без «скандала». В 1898 году Джон Абел из Балтимора выделил это вещество и назвал его эпинефрином. Но в 1901 году Йокичи Такамине — японский иммигрант, живший в США, в более чистом виде выделил компонент экстракта надпочечников, ответственный за повышение кровяного давления и назвал его «адреналин». Таким образом, есть два равнозначно существующих названия — адреналин и эпинефрин. Всемирная организация здравоохранения использует название «эпинефрин», которое происходит от греческого επι («рядом») и νεφρά («почка»). Название «адреналин» — латинское: от ad («сбоку») и renalis («почечный»).
Идею о том, что адреналин жизненно необходим для осуществления многих функций нашего организма, впервые высказал Уолтер Брэдфорд Кеннон — американский психофизиолог. В своей книге «Мудрость тела», впервые опубликованной в 1932 году, он обобщил известные к тому времени данные об адреналине. Кеннон описал важнейшую роль гормона в мобилизации всех систем организма для работы при максимальной нагрузке и назвал это реакцией «бей или беги». Описывая это явление, Кеннон говорил о том, что в минуты опасности адреналин вызывает такое состояние организма, при котором у хищника возрастает возможность нападения («бей»), а жертва реагирует на близкую опасность бегством. Однако Кеннон, называя адреналин молекулой, управляющей реакцией «бей или беги», не мог раскрыть механизм, по которому усиливалась работа скелетной мускулатуры, необходимой для нападения или бегства. Для этого необходимо понимание физиологических процессов, вызывающих повышение сократительной способности мышечных волокон. Далее в нашей статье будет рассказано о том, какие процессы лежат в основе этой реакции.
«У вас возбудимость повысилась» — феномен Орбели—Гинецинского
Еще до того, как Кеннон сформулировал представление о реакции «бей или беги», в 1923 году профессор Санкт-Петербургского медицинского университета Леон Орбели и его коллега Александр Гинецинский, пытаясь ответить на вопрос: «Как заставить мышцы сокращаться сильнее?», провели исследования, в которых выявили очень интересный эффект. В экспериментах на скелетной мышце лягушки они обнаружили, что сила мышечных сокращений, уменьшившаяся при длительной стимуляции, возрастает, если раздражать симпатический нерв [2]. Дело в том, что в организме есть специальная нервная система, которая называется симпатической. Она ответственна за работу сердечно-сосудистой системы и внутренних процессов, происходящих независимо от нашего сознания, но реагирует на изменение внешних условий. Эта система сложно устроена, а ее описание требует отдельного рассказа.
Нервные окончания симпатических нервов подходят близко к органам-мишеням и вызывают изменение их функций. Исследуя роль симпатической нервной системы в регуляции работы скелетной мускулатуры, Л. Орбели и А. Гинецинский поставили эксперимент, в котором долгое время раздражали скелетную мышцу лягушки до такой степени, что сила ее сокращений значительно уменьшалась. Такую мышцу называют «утомленной». Но когда ученые простимулировали блуждающий нерв, который в своем составе имеет и симпатические волокна, то увидели, что сила сокращений «утомленной» мышцы восстановилась (рис. 2). А сами сокращения стали возникать через более короткий период времени после стимула. Исследователи сделали вывод, что улучшение функций утомленной мышцы при стимуляции симпатического нерва вызывает повышение ее возбудимости. Этот эффект получил название феномена Орбели—Гинецинского.
Рисунок 2. Л. Орбели, А. Гинецинский и запись сокращений «утомленной» мышцы при стимуляции симпатического нерва (моменты стимуляции обозначены стрелками). При стимуляции симпатического нерва сила мышечных сокращений возрастает.
Еще одна молекула для выполнения реакции «бей или беги»
Анализируя результаты своих экспериментов с восстановлением сокращений «утомленной» мышцы, Л. Орбели выдвинул важную гипотезу о том, что стимуляция симпатического нерва может оказывать влияние не только на саму мышцу, но в первую очередь на контакт между нервным окончанием мотонейрона и мышечным волокном. Однако неясно было, по какому механизму это происходит.
Для того, чтобы понять механизм возникновения феномена Орбели—Гинецинского, нужно вспомнить, что при раздражении симпатического нерва из его окончаний выделяется другой катехоламин — норадреналин. Он является предшественником адреналина; их различия состоят в небольшой добавочной группе атомов углерода и водорода у норадреналина. Норадреналин тоже имеет второе название — норэпинефрин [2]. При возникновении стрессовой ситуации, когда надо либо нападать, либо убегать, в организме увеличивается содержание и норадреналина, и адреналина [3]. Таким образом, норадреналин является второй молекулой, которая может принимать участие в осуществлении реакции «бей или беги», но как это происходит, долгое время оставалось непонятным. Пытаясь найти объяснение обнаруженному феномену, Л. Орбели предположил, что симпатическая иннервация, повышая сократительные способности мышцы, по-видимому, действует на контакт между мышцей и подходящим к ней нервом периферической нервной системы, которую еще называют соматической. Ее главная функция — управлять нашими движениями.
Нервно-мышечный синапс — главный инструмент для реализации реакции «бей или беги»
Один из важнейших элементов соматической нервной системы — это место «встречи» нервного окончания мотонейрона и мышечного волокна. Для того, чтобы мышцы начали сокращаться, необходима слаженная работа такого контакта между нервным окончанием мотонейрона, посылающего электрический сигнал к мышечному волокну, и специализированной зоной мембраны мышечного волокна. Он называется нервно-мышечным соединением или синапсом (рис. 3). Именно здесь происходят основные события, которые заставляют наши мышцы сокращаться и позволяют нам «бить» или «убегать» в случае опасности. Процесс передачи сигнала от мотонейрона к мышечному волокну обеспечивается работой сложного многоступенчатого механизма, в основе которого лежит преобразование электрического сигнала в химический и обратно.
О работе нейромедиаторов можно прочитать в некоторых ранее опубликованных на «Биомолекуле» статьях. Например, статья «Тайны голубого пятна» посвящена норадреналину; «Молекула здравого ума» — ацетилхолину, а в комиксе «Как происходит выделение нейромедиатора» наглядно проиллюстрирован этот процесс [4], [5], [6].
Рисунок 3. Строение нервно-мышечного синапса. Показаны самые главные элементы (без упоминания многочисленных структур в нервном окончании и мышечном волокне), которые все вместе участвуют в обеспечении работы нервно-мышечного контакта и сокращении мышечного волокна.
рисунок автора статьи
Когда мотонейрон отправляет электрический сигнал по своему аксону, в его окончании вблизи мышечного волокна происходит выделение специального вещества — ацетилхолина, который называют медиатором. Молекулы ацетилхолина упакованы в особые пузырьки — синаптические везикулы. В одной везикуле может находиться до 10 000 молекул ацетилхолина; такая порция ацетилхолина называется квантом. В ответ на электрический импульс выделяется от нескольких десятков до нескольких сотен квантов медиатора. Так электрический сигнал превращается в химический. Выделившиеся молекулы ацетилхолина посредством диффузии проходят через синаптическую щель — промежуток между нервным окончанием и мембраной мышечного волокна. На этой мембране расположены специальные молекулярные комплексы — рецепторы, которые, взаимодействуя с молекулой ацетилхолина, открывают ионный канал в мембране, и через него в мышечное волокно входят ионы. Это приводит к возникновению электрического ответа теперь уже в мышечном волокне, то есть сигнал превратился из химического опять в электрический. Если величина этого сигнала достаточна для того, чтобы запустить дальнейшие внутриклеточные процессы в мышечном волокне, необходимые для начала работы сократительного аппарата — возникает сокращение мышечного волокна. Таким образом, следуя гипотезе Л. Орбели об усилении сократительной способности утомленной мышцы в результате какого-то влияния стимуляции симпатического нерва на нервно-мышечный контакт, можно связать два явления: увеличение содержания адреналина и норадреналина в крови при «встрече с хищником» и ответные реакции — повышение возбудимости скелетной мускулатуры, позволяющей нападать или убегать. Однако прямых экспериментальных подтверждений правильности этого предположения долгое время не было.
Что делает норадреналин в «утомленной» мышце
Несмотря на то, что после работ Л. Орбели и У. Кеннона было проведено множество исследований влияния адреналина и норадреналина как на скелетную мышцу, так и на процессы в нервно-мышечном соединении, ученые расходились во мнениях о молекулярных механизмах, участвующих в развитии феномена Орбели—Гинецинского.
Рисунок 4. Академик РАН Евгений Евгеньевич Никольский.
фото автора статьи
В 1992 году основатель и руководитель лаборатории биофизики синаптических процессов Казанского института биохимии и биофизики академик Евгений Никольский предложил проверить явление, описанное Л. Орбели, на изолированном нервно-мышечном препарате скелетной мышцы лягушки, анализируя процесс передачи сигнала через нервно-мышечный контакт с помощью микроэлектродной техники (рис. 4).
Так же, как и Л. Орбели с А. Гинецинским, мы вызывали утомление портняжной мышцы лягушки, длительно стимулируя аксон электрическими стимулами. В результате ответ мышечного волокна на стимул уменьшался по амплитуде и не мог вызывать сокращения. Когда в раствор, омывающий нервно-мышечный препарат, добавляли норадреналин, электрический сигнал от мышечного волокна возрастал. Но удивительным было то, что это увеличение не было связано с ростом числа порций ацетилхолина, которые освободились из нервного окончания. Не стало больше рецепторов для ацетилхолина на мембране мышечного волокна, которые с ним взаимодействуют, не изменилась чувствительность этих рецепторов к медиатору.
С помощью разработанного нами специального математического метода мы показали, что увеличение ответа мышечного волокна под влиянием норадреналина происходит из-за того, что кванты ацетилхолина в ответ на стимул выделяются более синхронно (рис. 5).
Рисунок 5. На схемах представлено синхронное и несинхронное высвобождение квантов ацетилхолина и электрические ответы мышечного волокна, возникающие в результате выделения квантов медиатора. Когда амплитуда ответа (зеленая линия) достигает критического значения, необходимого для возникновения потенциала действия мышечного волокна, генерируется мышечное сокращение. При несинхронном выделении квантов медиатора ответ не достигает необходимого уровня; потенциал действия мышечного волокна не развивается, сокращение мышцы не возникает.
рисунок автора статьи
Оказалось, что в ходе развития утомления мышцы, когда она перестает сокращаться из-за длительной стимуляции, величина электрического ответа мышечного волокна в нервно-мышечном контакте снижается из-за того, что кванты ацетилхолина начинают выделяться не одновременно в ответ на стимул (рис. 6). Это приводит к уменьшению электрического сигнала мышечного волокна и к отсутствию сокращения. Когда же мы добавляем норадреналин, в нервном окончании аксона происходит целая цепочка внутриклеточных процессов, которые вызывают одновременное срабатывание тех участков нервно-мышечного контакта, где происходит выделение квантов ацетилхолина. А выделившиеся одновременно молекулы ацетилхолина активируют рецепторы на мембране мышечного волокна, их ответы суммируются; величина результирующего электрического сигнала становится больше, что может вызвать сокращение мышцы. Влияние норадреналина на синхронность выделения квантов ацетилхолина в нервно-мышечном контакте мы впервые описали в статье в журнале Journal of Physiology в 1999 году [7].
Рисунок 6. Электрические ответы мышечного волокна на отдельные нервные стимулы (левая часть рисунка) в «утомленной» мышце, в присутствии норадреналина и при действии веществ, блокирующих влияние норадреналина. Моменты возникновения ответов после стимула (пик в левой части) сильно различаются в «утомленной» мышце и становятся практически одинаковыми при действии норадреналина. В правой части — суммарный ответ мышечного волокна в «утомленной» мышце и после действия на нее норадреналина. Под его влиянием амплитуда ответа увеличивается.
рисунок автора статьи
Так, нам удалось получить практическое объяснение феномену Орбели—Гинецинского. Норадреналин, выделяющийся из окончания симпатического нерва, увеличивает ответ мышечного волокна, вызывая более синхронное освобождение молекул медиатора ацетилхолина. Это приводит к тому, что «утомленная» мышца начинает сокращаться. При возникновении реакции «бей или беги» норадреналин, по-видимому, может действовать таким же образом. Но наши данные были получены на лягушке, которая относится к холоднокровным животным, и многие физиологические и биохимические процессы у них происходят по отличающимся от теплокровных механизмам. Поэтому следующей нашей задачей было проверить, встречается ли подобное явление у теплокровных млекопитающих.
Как влияет норадреналин на нервно-мышечный контакт у белой мышки или крысы
В 2018 году мы поставили задачу: исследовать действие адреналина и норадреналина на процессы в нервно-мышечных синапсах скелетных мышц лабораторных мыши и крысы. Эти животные — наиболее распространенные объекты в исследованиях нейрофизиологов. С помощью аналогичных методов, использованных на препаратах лягушки, мы измеряли характеристики электрических ответов и сравнивали их с теми, которые были получены после добавления в раствор, омывающий мышцу, адреналина, норадреналина или их аналогов. Наш проект был поддержан Российским научным фондом. Мы исследовали нервно-мышечные контакты двух разных типов мышц. Дыхательная мышца диафрагма служит для обеспечения процесса дыхания. В нервно-мышечных синапсах этой мышцы мы обнаружили, что добавление адреналина вызывало уменьшение числа квантов ацетилхолина в ответ на нервный стимул [8], [9]. В синапсах локомоторной мышцы, участвующей в обеспечении положения тела и движения, адреналин вызывал увеличение числа освободившихся квантов. Можно предположить, что эти эффекты в синапсах диафрагмы, вероятно, приводят к тому, что у нас перехватывает дыхание в неожиданной ситуации, а возрастание освобождения медиатора в синапсах локомоторных мышц позволяет им интенсивнее сокращаться, и мы способны быстрее бежать. Интересно, что если в синапсах лягушки в присутствии норадреналина мы наблюдали более синхронное выделение квантов, то в нервно-мышечном контакте локомоторной мышцы крысы таким эффектом обладал адреналин [10]. Мы установили, что концентрация адреналина и норадреналина в растворе, омывающем нервно-мышечный препарат, возрастает при стимуляции нерва, подходящего к мышце. Это говорит о том, что около нервно-мышечного контакта присутствуют так называемые эндогенные (образующиеся в самом организме) адреналин и норадреналин. Поэтому увеличение их содержания в минуты опасности может оказывать стимулирующее действие, вызывая либо освобождение большего количества квантов медиатора ацетилхолина, либо повышая степень синхронности их выделения. Оба этих эффекта приводят к росту величины электрического ответа в мышечном волокне, и тем самым могут вызывать его сокращение, которое обеспечивает выполнение команды «бей или беги».
От лекарства до допинга: почему важно изучать эффекты адренергических соединений
Исследования эффектов адреналина и норадреналина на состояние нервно-мышечного контакта очень важны. И не только потому, что интересно знать, как эти вещества, синтезируемые в нашем организме, влияют на работу скелетной мускулатуры и участвуют в осуществлении реакции «бей или беги». Одна из главных причин — что эти вещества и их ближайшие аналоги широко применяются при лечении сердечно-сосудистых и легочных патологий. В последние десятилетия их стали предлагать для лечения целого ряда нейродегенеративных заболеваний, среди которых — разные виды мышечной слабости, боковой амиотрофический склероз, спинальная мышечная атрофия и некоторые другие, связанные с проблемами нарушения работы скелетной мускулатуры и двигательных функций. Необходимо отметить, что такие аналоги адреналина и норадреналина, как сальбутамол и кленбутерол, способные активировать адреналиновые рецепторы, помимо влияния на процессы в нервно-мышечном контакте и усиления мышечных сокращений, могут приводить еще и к повышению мышечной массы и даже использоваться в качестве допинга (запрещенного Международной антидопинговой ассоциацией). Эти соединения также рассматриваются как потенциально эффективные лекарства для лечения саркопении — заболевания, связанного с возрастным снижением массы мышц. Говоря об адреналине и норадреналине, основное внимание мы уделили их влиянию на скелетную мускулатуру и, в частности, на работу нервно-мышечного соединения, поскольку, как мы полагаем, именно в нем развиваются главные события, участвующие в реакции «бей или беги». Однако адреналин — как гормон — и норадреналин — как медиатор — выполняют множество разных жизненно важных функций в нашем организме, чему, безусловно, можно посвятить не одну статью.
Работа поддержана грантом РНФ № 18-15-00046.