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2015年12月15日

神経とホルモンによる調節|生体を維持する恒常性のはたらき(1)

ナースのための解剖生理の解説書『身体のしくみとはたらき―楽しく学ぶ解剖生理』より
今回は、生体を維持する恒常性のはたらきから解剖生理を理解するお話の1回目です。

〈前回の内容〉

神経のしくみと機能|動作のしくみから理解する(7)

前回は、脳神経や脊髄神経、体性神経、自律神経などの神経のしくみと機能について学びました。

今回は、神経とホルモンが内部で起こる環境変化に対してどう反応し、細胞や個体を守っているかについて解説します。

 

〈目次〉

 

即効性の神経と持続性のホルモン

動作を支える骨と筋肉、関節|動作のしくみから理解する(1)』~『神経のしくみと機能|動作のしくみから理解する(7)』では主に、光や音など外部からの刺激を感覚器や脳がどう受け止め、処理し、末端の筋肉へと伝えているかをみてきました。しかし、こうした環境の変化は身体の外だけにあるのではありません。実は、身体の中もさまざまな環境変化にさらされています。ここでは、内部で起こる環境変化に私たちの身体はどう反応し、細胞や個体を守っているのかをみていきます。

身体の中の社会|生体としての人体(3)』で、細胞は環境変化にとっても敏感だという話をしました。体内の水分が多すぎても少なすぎても、また、体温が高すぎても低すぎても細胞は生体を維持するための活動ができなくなってしまいます。そのため、私たちの身体には、細胞が生きるための内部環境のバランスが大きく崩れないように変化を素早くキャッチし、環境を調節して正常な状態を維持する機能が備わっています。これをホメオスタシスと呼びます。

 

memoホメオスタシスとは

ホメオスタシスは「ホメオ」+「スタシス」の造語で、ホメオ(homeo)は同じ、スタシス(stasis)は状態、という意味です。日本語では恒常性といいます。「恒」は「変わらない」、「常」は「いつも」という意味です。

ホメオスタシスは語源から考えると、「変化しない」という意味ですが、実際には狭い範囲で変動しています。健康であればこの狭い範囲からはみ出しそうになると、元に戻すしくみがはたらきます。このように狭い範囲に維持されることをホメオスタシスの維持あるいは恒常性維持といいます。

 

ホメオスタシスがはたらく系統は大きく分けて2つあります。1つは神経を使ったルート、もう1つはホルモンを使った内分泌によるルートです。電気信号を使った神経ルートは即効性があるため緊急時にはたらき、血液を介した内分泌ルートは効果が出るまでに時間がかかるぶん持続性があります(図1)。

図1恒常性維持のための調節機構、液体調節と神経性調節

恒常性維持のための調節機構、液体調節と神経性調節

 

生体は、神経とホルモンがお互いに協力しあって、細胞にとって最も住みやすい内部環境を維持し、個体の生命を守っているのです。

 

memoホルモンの発見

ホルモンの作用を実験によって最初に証明したのは、ドイツ人のベルトールドです。1849年のことでした。しかし、ホルモンについて本格的な研究が始まったのは20世紀に入ってから。1902年、イギリスの生理学者ベーリスとスターリングが、胃の酸性内容物が十二指腸に入るとその壁が刺激され、セクレチンが放出されることを発見したのが始まりです。

 

神経性の調節

内臓にはたらく自律神経

中枢神経の脳・脊髄を基点とし、そこへ向かって情報を伝える神経を求心性神経、そこから出された指令を末端に伝える神経を遠心性神経と呼んで区別しました。しかし、神経には刺激を受ける受容器と、その情報を受けてはたらく効果器によって分ける分類の仕方もあります。

 

memo神経細胞と内分泌細胞の関係

神経細胞と内分泌細胞は、一方が長い突起、もう一方は血液を経由して遠くの細胞に情報(化学物質)を届けるという意味で、非常によく似たはたらきをもっています。もともと、神経間のコミュニケーションは、すぐとなりの細胞に化学物質を分泌することから始まったといわれます。内分泌細胞は、局所ホルモンを分泌する神経細胞から派生し、長い突起が失われホルモン分泌に特化したものと考えられています。

 

神経のしくみと機能|動作のしくみから理解する(7)』で説明したような知覚とそれに伴う運動にかかわる神経は体性神経と呼ばれます。この体性神経には、「自分はどう動かしたいか」という意思が関係しています。これに対して、自分の意思とは関係なく、自律してはたらく神経を自律神経と呼んでいます(表1)。

表1体性神経と自律神経

体性神経と自律神経

 

例えば、心臓をドキドキさせようと思っても自分の意思で動かすわけにはいきませんが、激しい運動をしたりすれば、そうしようと思わなくても勝手に心臓がドキドキしてきます。また、寒いところに長時間いると、意思とは関係なく手足の末端の血流が悪くなり、顔も青白くなります。

運動中心臓がドキドキするのは、運動によって筋肉が大量の酸素を消費しても低酸素に陥らないように、少しでも多く体内に取り込むためです。寒いところで手足が冷たくなるのは生命の危険を回避するため生命の維持とは直接関係しない部分の血管を緊急避難的に収縮させ、体温が逃げないようにすることで体温を一定に維持しようとして起こる現象です。

このように、自律神経は私たちの意思とは関係なく、心臓の収縮や血管の収縮・弛緩など、生体の内部環境を維持するために重要なはたらきをしています。

 

COLUMN自律神経はシナプスで中継される

自律神経と体性神経の解剖学的な違いは、自律神経は中枢から出て効果器にいたるまでに、必ず一回、シナプスで中継されるという点です。体性神経は中枢から出た神経線維がそのまま効果器まで伸びていますが、自律神経は一度、ニューロンを乗り換えるのです。そのため、自律神経の場合、中枢から出た神経線維を節前線維、その先の効果器まで行く部分を節後線維と呼んで区別しています(図2)。

図2体性神経と自律神経

体性神経と自律神経

 

memoコリン作動性線維とアドレナリン作動性線維

神経伝達物質として、自律神経のすべての節前線維と副交感神経の節後線維からはアセチルコリンが、交感神経の節後線維からはノルアドレナリンが分泌されるので、それぞれコリン作動性線維、アドレナリン作動性線維と呼ばれます。

 

交感神経と副交感神経

では、自律神経はいったいどうやって内部環境を調節しているのでしょう。そのポイントは、交感神経と副交感神経という2種類の自律神経のバランスにあります。この2つの自律神経は、1つの臓器に対し同時に拮抗してはたらき、どちらかのはたらきが相対的に強まると、ある臓器には「もっとはたらけ」とお尻をたたき、ある臓器には「休め」と命令するなど、臓器の動きをコントロールしています。

 

COLUMN自律神経と器官

臓器の多くは、交感神経と副交感神経の2つの神経の支配を受けていますが、体内の器官には、そのいずれか一方の支配しか受けていないものも存在します。副腎髄質や立毛筋、汗腺などは交感神経のみ、眼の瞳孔が縮む時にはたらく瞳孔括約筋は副交感神経のみが支配しています(表2)。

表2自律神経と器官

自律神経と器官

 

一般に、交感神経は身体を興奮させ、闘争する態勢を整える作用があります。副交感神経は、ゆっくり身体を休ませてエネルギーを蓄え、次の闘争に備える作用があります。スポーツをする時は筋肉に酸素とブドウ糖を充分に供給しなければならないので交感神経が優位になり、心臓には「はたらけ」という指令をどんどん出す一方で、消化管や排便・排尿の機能は抑えられます。一方、副交感神経が優位でリラックスしている時は次の闘いに備えてエネルギーを蓄えるため消化液の分泌も盛んになり、消化管の運動は活発になるという具合です(表3図2)。

表3自律神経の主な機能

自律神経の主な機能

 

memoサリン中毒の患者を救ったパム

神経伝達物質は放出された後、もとのニューロンに再吸収されるが、速やかに酵素によって分解されます。たとえば、放出されたアセチルコリンはアセチルコリンエステラーゼという酵素で酢酸とコリンに分解されます。

オウム真理教が多数の死傷者を出した地下鉄サリン事件で使ったサリンや有機リン酸系の農薬はアセチルコリンエステラーゼ阻害剤です。ざっくり言うとサリン中毒はアセチルコリンが分解されずにはたらき続ける副交感神経中毒のようなものです。患者が運び込まれた聖路加病院の医師は患者の針の穴のように小さい瞳孔(pinhole pupil)をみて、有機リン酸系の農薬中毒に有効とされる解毒剤「パム」を投与する決断をしました。当時、パムの在庫が20人分しかなかったので、近隣の県から新幹線などを使ってかき集め、多くの命を救ったのです。

 

交感神経と副交感神経はどちらかがはたらいて、どちらかが休んでいるというものではありません。基本的には両者が同時にはたらいて、状況によって、交感神経が優位になったり、副交感神経が優位になったりしながらバランスをとっています。

いちいちスイッチを切って必要なほうの自律神経だけがはたらくようにできていないのは、一見、無駄なようにもみえます。しかし、状況に応じてスピーディーに対応するためには両者のスイッチを入れたままで、必要に応じてボリュームを変えるのが最も合理的な方法ともいえるのです。

 

ホルモンによる調節

ホルモンとは何か

ホルモンは、ギリシャ語の「刺激する、眼を覚まさせて活動させる」という語に由来し、ごく微量でも大きな効果を発揮します。人体には20数種類のホルモンがあり、ホルモンを出す臓器や器官は比較的小さく、人体のあちこちに散らばっています。

ホルモンが分泌されると、それはすぐに血液に取り込まれ目的の場所まで運ばれます。身体の「内」と「外」でいうと、血液はからだの内部ということになりますから、ホルモンの分泌は内分泌ということになります。

 

memo脳と消化管ホルモンの関係

消化管ホルモンの多くは脳や神経にも存在していて、それらは脳・腸管ペプチドと呼ばれています。たとえば、小腸から分泌されるコレストキニンは胆嚢を収縮させるはたらきのあるホルモンですが、このホルモンは、脳の神経細胞や末梢神経にも存在しています。つまり、消化管で分泌されるホルモンが、神経系では神経伝達物質としてはたらいているのです。

 

ホルモンの作用は、①代謝活動を調節する、②血液成分の恒常性維持にかかわる、③消化液の分泌にかかわる、④性と生殖にかかわる、⑤ほかのホルモンの分泌にかかわるなどです。

また、ホルモンはその化学成分によって、アミノ酸系(蛋白質、ペプチド、アミン)とステロイド系の2種類に分けられます。ステロイド系はコレステロールから合成されます。性ホルモンと副腎皮質ホルモンだけがステロイド系です。

 

COLUMN外分泌と内分泌

分泌とは、腺細胞が血液から必要とする物質を獲得し、分泌物を合成してそれを放出するまでの能動的な過程をさします。

腺は特定の産物を産生し分泌する1個以上の細胞から構成されています。内分泌と外分泌の違いは、その構造にあります。外分泌腺は導管を有し、上皮の表層(体外)へ導管を経由して分泌物を注ぎ出しますが、内分泌腺は体表や管腔に接続(導管)していないので、その分泌物(ホルモン)は、腺組織を通る血管中へ直接拡散します。消化腺は唾液や胃液、膵液を消化管という体外に分泌するので外分泌腺なのです。

 

ホルモンがはたらくしくみ

分泌され血液に取り込まれたホルモンは、決まった蛋白質と結合して体内を移動します。全身を移動するということは、すべての臓器にホルモンが作用してもよさそうですが、ホルモンが関係のない臓器にはたらくことはありません。ホルモンとそれが作用する標的細胞(ターゲット)との関係は、「運命の赤い糸」で結ばれ、合わないもの同士がくっついてしまうことはないからです。

 

memoインスリンは注射で効く

蛋白質系のホルモンは、飲むと胃液の蛋白分解酵素によって消化されてしまうため、効果がなくなってしまいます。そのため、もっぱら注射によって与薬するのです。

 

細胞の表面もしくは内部には、決まったホルモンにだけ結合する受容体があります。この受容体はいわば鍵穴で、細胞近くにやってきたホルモンは自分が持っている“鍵”でこの鍵穴を開け、細胞内に作用します。もちろん、鍵が鍵穴と合わなければ、ホルモンはその細胞の扉を開けることはできず、細胞に作用することはありません。

 

memoホルモンの分子量

ホルモンはほかの生体構成物質に比べて一般的に小さく、分子量はだいたい100〜1,000ぐらいといわれています。比較的分子量の大きいのは成長ホルモンですが、せいぜい約2万。これに対し、筋肉を構成するアクチンは約4万、ミオシンは軽鎖が約2万、重鎖で約20万にも上ります。

 

COLUMNホメオスタシスの3つの要素

あらゆるホメオスタシスの制御機能には必ず3つの要素が関与しています。1つは環境の変化に応答する受容器(レセプター)で、これは情報をキャッチするセンサーのようなはたらきをします。この受容器がキャッチした情報は、次の構成要素である調節中枢へ送られます。ここでは、情報の変数を解析して、維持すべき水準(セットポイント)を決定し、その情報をもとに第3の構成要素である効果器(エフェクター)が反応します。

つまり、正常な状態からどれだけズレているかをキャッチして、そのズレのぶんだけ効果器をはたらかせるというわけです。この一連の流れはそこで終わりではなく、反応の結果を受けて、必ずフィードバックがあります。効果器の反応によって、ズレの状態が緩和させると、受容器はそれをキャッチし、調節中枢が効果器の反応を抑える指令を出すのです。

ホルモンが常に必要な時に必要な量だけ分泌されるのも、こうしたフィードバック機能がはたらいているためです。

 

memoフィードバック

「フィード;feed」とはfoodを語源とする食べ物、「バック;back」は返す、という意味で、結果(出力)を原因(入力)に差し戻すことによって入力を加減するということで、日本語では帰還制御機構といいます。

 

〈次回〉

血圧・血糖値・pHの調節|生体を維持する恒常性のはたらき(2)


本記事は株式会社サイオ出版の提供により掲載しています。

[出典]『身体のしくみとはたらき―楽しく学ぶ解剖生理』(編著)増田敦子/2015年3月刊行

引用・参考文献 

著作権について

この連載

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