Афферентные мышечные нервы, регулирующие высвобождение соматотропного гормона у крыс

В первоначальных исследованиях использовали животных, у которых перерезали нервы, иннервирующие задние конечности. При электрической стимуляции дистального конца нерва в течение 15 мин импульсами, напоминающими те, которые возникают у крысы, бегущей со скоростью 2, 4 км в час, никаких изменений в содержании 6СТГ и и СТГ в плазме крови и гипофизе обнаружено не было (Gosselink et al., 1998, 2000; McCall et al., 2000).

В то же время при стимуляции проксимального конца перерезанного нерва, иннервирующего быстро-сокращающиеся мышечные волокна, уже через 5 мин наблюдалось существенное (одно-, двухкратное) увеличение уровня 6СТГ в плазме крови! Существенно также и то, что увеличение уровня 6СТГ в плазме крови сопровождалось значительным снижением концентрации 6СТГ в гипофизе. Вместе с тем не обнаруживалось никаких изменений содержания иСТГ ни в плазме крови, ни в гипофизе. Не менее интересен и тот факт, что стимуляция проксимального конца нервов камбаловидной мышцы приводила к снижению концентрации 6СТГ в плазме. Это наблюдение предполагает наличие специфичности действия мышечных групп в этом афферентном пути.

Полученные результаты представляют интерес с двух точек зрения. Во-первых, они подтверждают существование механизма нервной регуляции гипофизарной системы синтеза СТГ, функционирующего наряду с метаболической системой регуляции. Во-вторых, мы считаем, что эти эксперименты позволяют по-новому оценить физиологическое значение 6СТГ. Если предположить, что одной из важнейших функций СТГ является обеспечение постоянного снабжения сердца и мозга глюкозой, то эти результаты укладываются в рамки существующей концепции. Значительный выброс СТГ н ответ на увеличение метаболических потребностей (например, голодание, гипогликемия или пониженная температура внешней среды) и увеличение секреции СТГ в ответ на активацию покоящейся мышцы, отвечающей за движение, предполагают существование механизмов обеспечения возрастающего потребления глюкозы тканями. Это защитные механизмы организма.

Известно, что у человека секреция иСТГ возрастает в ответ па физическую нагрузку, однако этот ответ обнаруживается только спустя 15—20 мин после начала двигательной активности. Предположим, что в состоянии покоя икроножная и другие постуральные (отвечающие за поддержание осанки) мышцы, активность которых сохраняется па 80 % даже в покос, с помощью афферентной системы иннервации подают в гипофиз сигнал к снижению продукции 6СТГ, благодаря чему другие ткани организма, а не только мозг и сердце, получают возможность использовать глюкозу как источник энергии. При активации локомоторных (приводящих тело в движение) мышц в гипофиз поступает сигнал, стимулирующий продукцию 6СТГ. Итоговый эффект предположительно заключается в ограничении использования глюкозы активными мьшщами и стимуляции их перехода на другие источники энергии, такие, как жирные кислоты из жировых запасов.

На рис. предлагаем модель, адаптированную из нашей публикации (McCall et al., 2001), которая описывает мышечно-нейронную цепь обратной связи, обеспечивающую регуляцию секреции СТГ гипофизом. На этом рисунке нервные импульсы поступают в гипоталамические нейроны. Вместе с тем вполне вероятно, что они могут поступать непосредственно в переднюю долю гипофиза. Научных публикаций, в которых упоминается об иннервации гипофиза, очень мало. В одной из относительно недавних работ (Paden et al., 1994, p. 503) говорится об “удивительно обширной иннервации передней доли гипофиза”. Интересно, что нервные окончания, иннервирующие гипофиз, часто ассоциированы с кровеносными сосудами и не похожи на обычные вазомоторные нервные волокна. Их распределение достаточно неравномерно, кажется, что они контактируют только с частью железистых клеток (СТГ/адренокортикотропный гормон; АКТГ).

Острые и хронические эффекты при выполнении силовых упражнений и биологически активный соматотропный гормон

В одном из последних исследований мы (Кремер, Химер и Нипдл) изучали влияние интенсивной силовой тренировки (т. е. 6 подходов приседаний с нагрузкой 10 ПМ с интервалом для отдыха 2 мин) на уровень 6СТГ до и после 6 месяцев периодизированной силовой тренировки у молодых здоровых женщин. Результаты этого исследования показывают, что хотя интенсивная физическая нагрузка не приводит к изменениям уровня 6СТГ в крови, после 6 месяцев регулярных занятий силовыми упражнениями наблюдается заметное повышение уровня 6СТГ. Эти результаты свидетельствуют о том, что одним из положительных эффектов продолжительных регулярных занятий силовой тренировкой является увеличение биологической активности соматотропного гормона в кровеносной системе. Эго новое открытие, возможно, представляет собой один из механизмов, которые обеспечивают благотворное влияние силовой тренировки на скелетно-мышечную систему.

Заключение

Основные положения, которые мы попытались проиллюстрировать в этой главе, можно сформулировать следующим образом.

1. Молекулы СТГ гетерогенны. В этой главе дано определение и рассмотрены различные аспекты гетерогенности СТГ. К ним можно отнести: а) варианты молекул гормона с различной молекулярной массой и размером, которые являются продуктом экспрессии одного гипофизарного гена СТГ; б) гетерогенность, обусловленную различной активностью гормона, которая может быть определена по ответной реакции, которую они вызывают: биологической Шг vivo) или иммунологической (in vitro)', в) гетерогенность клеток гипофиза, которые вырабатывают и секретируют молекулы СТГ.

2. Аэробные и силовые упражнения могут приводить к дифференциальной секреции различных изоформ соматотропного гормона в кровеносную систему. Сегодня существуют только отдельные исследования, посвященные анализу изменений молекулярного состава СТГ, происходящих в ответ на физическую нагрузку. Вместе с тем все они поддерживают точку зрения о том, что физическая нафузка стимулирует секрецию олигомерных форм СТГ с молекулярной массой 22 кДа. Результаты оценки уровня СТГ биологическими методами и иммуноанализом часто не совпадают. Интенсивность и продолжительность упражнений играют главную роль в этом раздвоении активности. После физических тренировок в состоянии покоя происходит увеличение уровня СТГ, который стимулирует рост костей у крыс.

3. Клеточная система продукции СТГ в гипофизе крысы гетерогенно. Для гипофиза человека также может быть характерна подобная гетерогенность клеток, вырабатывающих СТГ, однако провести исследования, которые бы позволили доказать это положение, достаточно сложно. Экспериментальные данные показывают, что секреторные гранулы, содержащие СТГ, а также клетки, производящие СТГ, различаются между собой. Такая гетерогенность, очевидно, имеет определенный биологический смысл. Чтобы установить взаимосвязь между этими компонентами у крыс и человека при воздействии физической нагрузки, требуются дополнительные исследования.

4. Регуляторные механизмы, ответственные за секрецию вариантов СТГ гипофизом, могут включать сигналы от нервных окончаний, расположенных в мышцах, которые подвергаются нагрузке при выполнении физических упражнений. В этой главе нами представлены доказательства существования новой цепи обратной связи между определенными мышцами и гипофизом. Вполне вероятно, что эта цепь существует у человека и у крыс. Эта система регуляции может быть важным фактором контроля выработки и секреции различных изоформ гормона в гипофизе.

В заключение хотелось бы отметить, что читателям этой главы наверняка известно, что информационный взрыв, который мы сейчас переживаем в биологических науках, является результатом не только исследований прошлых лет, по и стремительного развития технологий, а также увеличения количества накопленных данных. Это очевидно. Авторы проанализировали плодотворные исследования, проведенные почти 50 лет назад, и попытались показать, что они не утратили своей значимости и сегодня, помогая более полно, оценить роль, которую различные молекулярные формы СТГ могут играть в положительном воздействии занятий физическими упражнениями на организм человека. Мы попытались показать, что успешное сочетание экспериментальных подходов, которые применяются в эндокринологии, биохимии, клеточной биологии и физиологии двигательной активности, позволяет по-новому взглянуть на значение, которое может иметь молекулярная гетерогенность СТГ в занятиях физическими упражнениями. Несомненно, начало здесь положено, однако предстоит сделать гораздо больше.

Литература

· Baumann, G. (1991а) Growth hormone heterogeneity: genes, isohormones, variants, and binding proteins. Endocrine Reviews 12(4), 424-449.

· Baumann, G. (1991b) Metabolism of growth hormone (GH) and different molecular forms of GH in biological fluids. Hormone Research 36 (suppl. 1), 5-10.

· Baumann, G. (1999) Growth hormone heterogeneity in human pituitary and plasma. Hormone Research 51 (suppl. 1), 2-6.

· Baumann, G., Shaw, М., Ambum, K. et al. (1994) Heterogeneity of circulating growth hormone. Nucear Medicine and Biology 21(3), 369-379.

· Bigbee, A.J., Gosselink, K.L., Roy, R.R., Grindeland, R.E. & Edger-ton, V.R. (2000) Bioassayable growth hormone release in rats in response to a single bout of treadmill exercise. Journal of Applied Physiology 89(6), 2174-2178.

· Cunningham, B.C. & Wells, J.A. (1989) High-resolution epitope mapping of hGH-receptor interactions by alanine-scanning mutagenesis. Science 244(4908), 1081-1085.

· Cunningham, B.C., Ultsch, M, De Vos, A.M. et al. (1991) Dimeri-zation of the extracellular domain of the human growth hormone receptor by a single hormone molecule. Science 254(5033), 821-825. Dannies P.S. (1999) Protein hormone storage in secretory granules: mechanisms for concentration and sorting. Endocrine Reviews 20(1), 3-21.

· Ellis, S. & Grindeland, R.E. (1974) Dichotomy between bioassayable and immunoassayable growth hormone. In: Advances in Human Growth Hormone Research (Raiti, S., ed.). DHEW Publication No. (NIH) 74-612, US Government Printing Office, Washington, D.C.: 409-433.

· Ellis, S., Nuenke, J.M. & Grindeland, R.E. (1968) Identity between the growth hormone degrading activity of the pituitary gland and plasmin. Endocrinology 83(5), 1029-1042.

· Farrington, M. & Hymer, W.C. (1990) Growth hormone aggregates in the rat adenohypophysis. Endocrinology 126, 1630-1638.

· Gosselink, K.L., Grindeland, R.E., Roy, R.R. et al. (1998) Skeletal muscle afferent regulation of bioassayable growth hormone in the rat pituitary. Journal of Applied Physiology 84(4), 1425-1430. Gosselink, K.L., Grindeland, R.E., Roy, R.R. et al. (2000) Afferent input from rat slow skeletal muscle inhibits bioassayable growth hormone release. Journal of Applied Physiology 88(1), 142-148. Greenspan, F.S., Li, C.H., Simpson, M.E. & Evans, H.M. (1949) Bioassay of hypophyseal growth hormone: the tibia test. Endocrinology 45, 455-463.

· Hunter, W.M. & Greenwood, F.C. (1964) A radio-immunoelectropho-retic assay for human growth hormone. Biochemistry Journal 91(1), 43-56.

· Hymer, W.C. & McShan, W.H. (1963) Isolation of rat pituitary granules and the study of their biochemical properties and hormonal activities. Journal of Cell Biology 117(1), 67-86.

· Hymer, W.C, Kirshnan, K., Kraemer, W., Welsch, J. & Lanham, W. (2000) Mammalian pituitary growth hormone: applications of free flow electrophoresis. Electrophoresis 21(2), 311-317.

· Hymer, W.C, Kraemer, W.J., Nindl, B.C. et al. (2001) Characteristics of circulating growth hormone in women after acute heavy resistance exercise. American Journal of Physiology. Endocrinology and Metabolism 281(4), E878-E887.

· Lewis, UJ., Pence, S.J., Singh, R.N. & VanderLaan, W.P. (1975) Enhancement of the growth promoting activity of human growth hormone. Biochemical and Biophysical Research Communications 67(2), 617-624.

· Lewis, UJ., Sinha, Y.N. & Lewis, G.P. (2000) Structure and properties of members of the hGH family: a review. Endocrine Journal 47 (suppl.), S1-S8.

· McCall, G.E., Goulet, C, Grindeland, R.E. et al. (1997) Bed rest suppresses bioassayable growth hormone release in response to muscle activity. Journal of Applied Physiology 83(6), 2086-2090.

· McCall, G.E., Goulet, C, Roy, R.R. et al. (1999) Spaceflight suppresses exercise-induced release of bioassayable growth hormone. Journal of Applied Physiology 87(3), 1207-1212.

· McCall, G.E., Grindeland, R.E., Roy, R.R. & Edgerton, V.R. (2000) Muscle afferent activity modulates bioassayable growth hormone in human plasma. Journal of Applied Physiology 89(3), 1137-1141.

· McCall, G.E., Gosselink, K.L., Bigbee, A.J. et al. (2001) Muscle afferent-pituitary axis: a novel pathway for modulating the secretion of a pituitary growth factor. Exercise and Sport Sciences Reviews 29(4), 164-169.

· Nguyen, N.Y., Grindeland, R.E. & Chrambach, A. (1981) Isolation of human growth hormone isohormones D and E in milligram amounts (II), using isoelectric focusing on polyacrylamide gel. Preparative Biochemistry 11(2), 173-189.

· Nindl, B.C., Kraemer, W.J. & Hymer, W.C. (2000) Immunofunctional vs. immunoreactive growth hormone responses after resistance exercise in men and women. Growth Hormone and IGF Research 10(2), 99-103.

· Nindl, B.C., Hymer, W.C, Deaver, D.R. & Kraemer, WJ. (2001) Growth hormone pulsatility profile characteristics following acute heavy resistance exercise. Journal of Applied Physiology 91(1), 163-172.

· Nindl, B.C., Kraemer, W.J., Marx, J.O., Tuckow, A.P. & Hymer, W.C. (2003) Growth hormone molecular heterogeneity and exercise. Exercise and Sport Sciences Reviews 31(4), 161-166.

· Paden, C, Moffett, С & Benowitz, L. (1994) Innervation of the rat anterior and neurointermediate pituitary visualized by immunocyto-chemistry for the growth-associated protein GAP-43. Endocrinology 134(1), 503-506.

· Papkoff, H. & Li, C.H. (1962) Hypophyseal growth hormone. In: Methods in Hormone Research II (Dorfman, R. ed.). Academic Press, New York: 671-704.

· Roswall, E.C, Mukku, V.R., Chen, A.B. et al. (1996) Novel assays based on human growth hormone receptor as alternatives to the rat weight gain bioassay for recombinant human growth hormone. Biologicals 24(1), 25-39.

· Roth, J., Glick, S.М., Yalow, R.S. & Berson, S.A. (1963) Secretion of human growth hormone: physiologic and experimental modification. Metabolism 12, 577-579.

· Rowlinson, S.W., Waters, M.J., Lewis, UJ. & Barnard, R. (1996) Human growth hormone fragments 1-43 and 44-191: in vitro somatogenic activity and receptor binding characteristics in human and nonprimate systems. Endocrinology 137(1), 90-95.

· Rubin, M.R., Kraemer, W.J., Kraemer, R.R. et al. (2003) Responses of growth hormone aggregates to different intermittent exercise intensities. European Journal of Applied Physiology 89(2), 166-170.

· Singh, R.N., Seavey, B.K., Rice, V.P., Lindsey, T.T. & Lewis, UJ. (1974) Modified forms of human growth hormone with increased biological activities. Endocrinology 94(3), 883-891.

· Stolar, M.W., Amburn, K. & Baumann, G. (1984) Plasma 'big' and 'big-big' growth hormone (GH) in man: an oligomeric series composed of structurally diverse GH monomers. Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism 59(2), 212-218.

· Strasburger, CJ. (1994) Implications of investigating the structure-function relationship of human growth hormone in clinical diagnosis and therapy. Hormone Research 41 (suppl. 2), 113-119.

· Strasburger, CJ., Wu, Z., Pflaum, CD. & Dressendorfer, R.A. (1996) Immunofunctional assay of human growth hormone (hGH) in serum: a possible consensus for quantitative hGH measurement. Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism 81(7), 2613-2620.

· Wada, М., Uchida, H., Ikeda, M. et al. (1998) The 20-kilodalton (kDa) human growth hormone (hGH) differs from the 22-kDa hGH in the complex formation with cell surface hGH receptor and hGH-binding protein circulating in human plasma. Molecular Endocrinology (Baltimore, Md) 12(1), 146-156.

· Wallace, J.D., Cuneo, R.C., Bidlingmaier, M. et ah (2001) The response of molecular isof orins of growth hormone to acute exercise in trained adult males. Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism 86(1), 200-206.

· Weiss, S., Berg land, R., Page, R., Turpen, C. & Hymer, W.C. (1978) Pituitary cell transplants to the cerebral ventricles promote growth of hypophysectomized rats: Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine 159, 409-413.

· Wood, P. (2001) Growth hormone: its measurement and the need for assay harmonization. Annals of Clinical Biochemistry 38(5), 471-482.

 

Передняя доля гипофиза

Клеточная организация передней доли гипофиза

Клеточная система передней доли гипофиза, отвечающая за выработку соматотропного гормона, отличается крайней сложностью организации. Как знания об организации этой системы могут помочь в раскрытии тайн и механизмов, лежащих в основе взаимосвязи между физическими упражнениями и соотношением различных молекулярных изоформ гормона роста? Поскольку получение хирургического или посмертного материала для изучения строения гипофиза связано со значительными сложностями, для этой цели был использован гипофиз крысы. Небольшой объем этой главы не позволяет нам подробно рассмотреть данный вопрос, поэтому мы лишь назовем основные результаты нескольких, наиболее значимых с нашей точки зрения, исследований.

· Вес гипофиза человека составляет около 350 мг, крысы — 8—12 мг. В клетках одного гипофиза человека содержится около 4—8 мг соматотропного гормона; в клетках одного гипофиза крысы — примерно 20 мкг гормона. Соматотропин составляет около 80 % всей гормональной продукции клеток гипофиза.

· Количественную экстракцию СТГ осуществляют путем гомогенизации тканей гипофиза при щелочном pH (9—10). При проведении электрофореза образцов гипофизарных экстрактов, денатурированных додецилсульфатом натрия, в полиакриламидном геле (ДСН—ПААГ) в нередуцирующих условиях обнаруживается несколько форм СТГ с различной молекулярной массой в диапазоне от 14 до 88 кДа. После химической редукции дисульфидных связей наблюдается 4 — 6-кратное увеличение иммунореактивности изоформ СТГ с молекулярной массой более 50 кДа (табл. 7.4). Высокомолекулярные формы СТГ представляют собой агрегаты отдельных молекул гормона, соединенных между собой дисульфидными связями, которые образуются между цистиновыми остатками пептидных цепей двух мономеров соматотропина (Lewis et al., 1975). Агрегаты соматотропина выделяются клетками гипофиза и обнаруживаются в плазме крови.

· Агрегаты СТГ упакованы в секреторные гранулы диаметром около 300 мкм. Эти гранулы содержат биологически активный соматотропин (Hymer, McShan, 1963). Как отмечает Деннис (Dannies, 1999, р. 3), о молекулярных механизмах компановки гормона в гранулы известно немного, а вопрос о том, “как клетка концентрирует гормоны, остается основным вопросом эндокринологии, на который до сих пор не найдено ответа”. Для некоторых клеточных систем упаковки гормонов существуют убедительные доказательства того, что различные секретируемые белки упаковываются в различные гранулы в одной и той же клетке. Вполне возможно, что гетерогенность упакованного СТГ имеет непосредственное отношение в вопросу изменения соотношений изоформ гормона под действием физической нагрузки.

· Субпопуляции секреторных гранул, содержащих СТГ крысы, могут быть разделены при помощи порточного электрофореза. При разделении выделенных из посмертного материала гипофизарных гранул, содержащих СТГ, также были обнаружены различные субпопуляции. Предварительные исследования показывают, что наиболее быстро мигрирующие в электрическом поле частицы богаты гормоном, проявляющим биологическую активность в тибиатесте, и содержат сравнительно мало ИР СТГ.

· По крайней мере, два типа гипофизарных клеток крысы могут быть разделены стандартным методом центрифугирования в градиенте плотности. Соматотропный гормон, проявляющий биологическую активность в тибиатесте, содержится преимущественно в клетках с большей плотностью и представлен олигомерными формами (Farrington, Hymer, 1990).

· Имплантация клеток, секретирующих СТГ в мозговые желудочки крыс с удаленным гипофизом, приводит к увеличению их массы тела и длины большеберцовых, бедренных и тазовых костей (Weiss et al., 1978). Имплантация в мозг крыс СТГ-синтезирующих клеток из фракции с большей плотностью не только приводит к увеличению массы тела, но и к увеличению ширины гипофизарной пластинки и массы икроножной мышцы (Grindeland, Hymer, unpublished).

В целом все эти данные свидетельствуют в пользу точки зрения, согласно которой существование различных изоформ соматотропного гормона обусловлено не только молекулярными механизмами, но и особенностями биологии клеток гипофиза.

 

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться: