Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Молекулярные процессы в мозге при естественной гипотермии
.pdf
Глава 1. Направленность метаболизма мозга при зимней спячке 21
регулируются не столько активностью глутаминодекарбоксилазы, сколько пре-
вращениями по другим путям мета болизма.
Все вышесказанное свидетельствует о том, что углеводно-фосфорные и азо-
тистые метаболиты активно участвуют в протекающих в мозге ме таболических
процессах, вызванных физиологическим снижением тем пературы тела. Они, по
всей вероятности, участвуют в адаптивных ме ханизмах, действующих в мозге
во время зимней спячки.
Обсуждая вышеприведенный материал, можно обрисовать специфику
азотистого метаболизма в головном мозге при естественном охлаждении
млекопитающих.
Глава 2.
СПЕЦИФИКА
АЗОТИСТОГО ОБМЕНА МОЗГА
ПРИ ЗИМНЕЙ СПЯЧКЕ
Механизм развития спячки заключается в появлении торможения в нервной системе, приводящем к гипофункции эндокринного аппарата (гипофиза,
щитовидной железы и надпочечников). Но вместе с тем А. Д. Слоним (1961)
считает, что спячку нельзя рассматривать только как состояние с примитивным уровнем регуляции функций, недо статочностью терморегуляции и валовым снижением обменно-энергетических процессов.
Как было отмечено выше, во время зимней спячки сохраняются даже тонкие регуляции физиологических функций и сохраняются некоторые рефлекторные реакции, на пример, обеспечивающие поддержание позы, регуляцию
суточ ной периодики и др. Таким образом, зимнюю спячку следует рассматривать как дифференцированное и специфическое состояние.
При адаптации животных к охлаждениям происходит посте пенное
и значительное увеличение содержания аммиака, увели чение концентрации
глутамина и снижение содержания глута миновой кислоты.
Адаптация к внешнему холоду вызывает такие же изменения в азотистом
обмене мозга, как и адаптация, наступающая под влиянием многократного
охлаждения до состояния гипотермии, в частности наблюдается значительное
увеличение концентра ции аммиака и мозге. Существенно, что у адаптированных к хо лоду, а также охлаждениям крыс гипотермия, вызывая даль нейшее
накопление аммиака в мозге, не изменяет содержание глутамина, глутаминовой, γ-аминомасляной и аспараги новой кислот, в противоположность тому,
что наблюдается у не адаптированных крыс.
В процессе впадения сусликов в зимнюю спячку, когда тем пература тела
у них снижается до 23 °С, количество аммиака в ткани мозга увеличивается
в 5 раз. При продолжающейся спячке уровень содержания аммиака снижается, но значительно превышает исходный уровень. Степень снижения содержания аммиака в мозге и изменения в содержании глутамина, глута миновой,
γ-аминомасляной и аспарагиновой кислот, а так же мочевины зависят от
длительности спячки и глубины сни жения температуры тела.
Глава 2. Специфика азотистого обмена мозга при зимней спячке 23
Искусственная гипотермия у зимоспящих животных разви вается иначе, чем
у незимоспящих. Холодовый наркоз у сусли ков начинается при температуре тела
11–10 °C. Отличия наблюдаются и в динамике азотистых компонентов мозга.
Если у крыс с углублением гипотермии параллельно увеличивается содержание аммиака, то у сусликов при температуре тела 11–10 °C концентрация
аммиака несколько снижается по сравне нию с температурой тела 20 °C.
На основании полученных материалов можно сделать за ключение, что
повышение содержания аммиака в мозге являет ся благоприятным фактором,
способствующим приспособлению теплокровного животного к пониженной
температуре среды и к перенесению им низкой температуры тела.
Долгое время аммиак рассматривался только как подлежа щий удалению из
организма «шлак». Его концентрация в срав нительно небольших количествах
токсична, особенно для нерв ной ткани.
Найдено, что повышение содержа ния аммиака в спинномозговой жидкости является общим для заторможенных н возбужденных психически больных
(Байбуртян, 1963). По мнению Тёлена и Босхарда (ollen, Boschardt, 1958),
расстройство сознания у людей при уремии не связано с нарастанием аммиака
в крови и, следовательно, в мозге.
Установлено, что состояние возбуждения далеко не всегда со провождается
увеличением количества аммиака в мозге. Так, в начале возбудительного про-
цесса, определенного при помощи электроэнцефалографических исследований,
концентрация ам миака в мозге достоверно снижается, при начавшихся судорогах – резко возрастает, а затем, несмотря на продолжающиеся судороги, возвра-
щается к норме (Розенгардт и др., 1956). При повышенном содержании аммиака
в мозге после повторного введения снотворных веществ мыши продолжают
спать (Мар тинсон, Тяхепыльд, 1957).
При восстановлении нормотермии через сутки после вы ведения из состояния клинической смерти в условиях гипотер мии содержание аммиака
в мозге собак в 4–5 раз больше, чем в норме, хотя животные внешне находятся
в удовлетворитель ном состоянии (Гаевская, 1963). Только на шестые сутки
после самосогревания охлажденных до 20–19 °C крыс содержание ам миака
в мозге нормализуется и при этом животные внешне не отличались от только
что согревшихся (Векслер, Гершенович, 1962).
По нашим данным, через 3 дня после 12-го сеанса гипотер мии (20–19 °C) содер-
жание аммиака в мозге крыс составляет 1,97 ± 0,03 мг %. Состояние же животных
при этом было вполне нормальным. У адаптированных к холоду животных, по на-
шим данным и по результатам И. В. Готлобер, А. Л. Кричевской и З. С. Гершеновича
(1967), содержание аммиака в мозге уста навливается на высоком уровне.
Физиологическое приспособление к низкой температуре сре ды (зимняя
спячка) сопровождается накоплением аммиака в мозге до 3 мг% (Эмирбеков,
24 Молекулярные процессы в мозге при естественной гипотермии
1968). В своей работе Варрен и Шенкер (Warren, Schen ker, 1964) приходят к заключению, что интоксикация аммиаком не только зависит от высокого содержания его в головном моз ге, но и связана также с механизмом детоксикации,
при помощи которого аммиак участвует в обмене веществ головного мозга.
Высокий уровень содержания свободного аммиака в мозге (во всех случаях экспериментов), видимо, влияет на состояние ферментов или индуцирует
синтез белка – фермента. Аммиак может изменить заряд белковой молекулы
(Пасынский, 1941), а следовательно, изоэлектрическую точку (Дунаева, 1961;
Мартинсон, Тяхепыльд, 1961; Турова, 1963) и изменить форму белковых
макро молекул. Все это приводит к изменению реак тивной способности белков. Макромолекулярные же структуры являются источником упорядочения
внутри клеточных химиче ских процессов.
О роли конформационных изменений белков при низкой тем пературе
тела свидетельствуют многие литературные источники (Gustavson, 1956;
Бабская, 1961; Крицман, Коникова, 1966; Готлобер, Кричевская, Гершенович,
1967 и др.).
Высокий уровень содержания аммиака в мозге и усиление аммиакообразования характеризуют адаптацию теплокровного организма к холоду, его
компенсаторно-защитную реакцию и не могут рассматриваться лишь как следствие повреждающе го действия холода.
Можно думать, что аммиак – необходимый метаболит в цепи нейрохимических превращений, вызванных снижением температуры тела.
На основании вышеприведенных результатов и сравнительного анализа
азотистого метаболизма в мозге животных при адаптации к холоду, к низкой
температуре тела, при зимней спячке можно делать вывод о том, что накопление аммиака и некоррелятивные изменения в системе освобождения и связывания аммиака во многом носят неспецифический характер и представляют собой проявление тех общих закономерностей в перестройке метаболизма мозга,
которые развиваются в связи с приспособлением организма к изменившимся
условиям его существования.
По-видимому, это связано не с абсолютной концентрацией аммиака в мозге, а с изменением тех или иных ферментативных систем, участвую щих в его
обмене. Отсюда вытекает модуляторная роль аммиака в модификации белковферментов во время зимней спячки.
Для раскрытия молекулярных механизмов при действии естественного
снижения температуры тела млекопитающих (зимней спячки) наибольший
интерес представляют исследования регуляции механизма терморегуляции
метаболизма во время гибернационного цикла. В данной работе мы предпринимаем по пытку выделить и проанализировать те нейрохи мические изменения, которые имеют наиболь шее отношение к регуляции зимней спячки.
Глава 3.
РЕГУЛЯТОРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
АЗОТИСТОГО МЕТАБОЛИЗМА
ПРИ ЗИМНЕЙ СПЯЧКЕ
Клеточный метаболизм зимоспящих жи вотных характеризуется эволю-
ционно вырабо танной и генетически закрепленной рези стентностью к низкой
температуре тела, ко торая хорошо проявляется в зимний период. Благодаря
снижению температуры тела во время зимней спячки (до 2–5 °С) происходит
ингибирование метаболизма в 20 и более раз, что позволяет пережить организму отсутствие корма.
Подготовка к зимней спячке начинается уже летом, когда происходит накопление в тканях животных энергетических субстратов, преж де всего углеводов и жиров. Экспериментально доказано, что в прегибернационный период
за пасы гликогена в его основном депо – печени увеличиваются по сравнению
с летом у суслика малого в 1,7 раза (Эмирбеков, Львова, 1985), за счет чего их
вес возрастает в 5–13 раз. У млекопитающих перед зимней спячкой существен-
но увеличивается бурая жировая ткань (Шмидт-Ниельсен, 1982) и рас тет число
митохондрий в ней.
Жиры зимоспящих характеризуются вы соким содержанием ненасыщен-
ных жирных кислот, особенно полиеновых (Калабухов, 1985), что снижа ет
температуру их плавления и облегчает ути лизацию при низких температурах
тела, ха рактерных для гибернации.
В осенний период у зимоспящих млеко питающих накапливается и α-токо-
ферол (Калабухов, 1985), предотвращающий избыточное перекисное окисле-
ние липидов и принимающий важное участие в регуляции функций мембранных структур. Вхождение в зимнюю спячку мле копитающих сопровождается
активацией се ротонинергических и торможением адренер гических структур
головного мозга (Попова, 1984). Со держание серотонина в отделах мозга при
этом возрастает (Кудрявцева, 1973), а отношение катехолами ны/серотонин
понижается (Эмирбеков, Львова, 1985). При погруже нии в зимнюю спячку
в мозге сусликов на блюдается снижение интенсивности дыхания, гликолиза,
увеличение содержания АТФ, зна чительное возрастание количества аммиака
(в 6 раз), глутамина (в 2,2 раза) и ГАМК (в 1,9 раза). Содержание глутамата,
аспартата и мо чевины при этом не меняется (Эмирбеков, Львова, 1985).
26 Молекулярные процессы в мозге при естественной гипотермии
При наступившей зимней спячке, в связи со значительным снижением температуры тела, потребность в энергии существенно уменьшает ся. Содержание
АТФ и креатинфосфата в тка нях у гибернирующих животных поддерживает ся
на высоком уровне, что связано с понижени ем их утилизации (Эмирбеков,
Львова, 1985). Понижается также интен сивность дыхания. Например, при температуре тела 15 °С летучие мыши потребляют в 40 раз меньше кислорода, чем
при 37 °С (Шмидт-Ниельсен, 1982). Достаточно эффек тивно функционируют
при гибернации филоге нетически древние флавинзависимые дегидро геназные
участки дыхательной цепи (Радловская, 1980; Муравьева, 1984). Ви димо, процесс окисления в этот период тормозится на этапе ФАДН2-цитохром С (Демин,
Шортанова, Эмирбеков, 1988). При гибернации у млекопитающих значительно
уменьшается интен сивность гликолитических реакций (Эмирбеков, Львова,
1985).
Способность тканей, особенно печени, эндо- и эктотермных животных
к фосфоролизу гликогена сохраняется при гибернации на высо ком уровне
(Демин, Шортанова, Эмирбеков, 1988). Убыль гликогена, наблюдаемая у млекопитающих при кратковременной гибернации, восполняется за счет глюконеогенеза (Galsler, 1975), особенно при периодиче ских пробуждениях.
Уже в прегибернационный период на блюдается увеличение содержания
жирных кислот в крови млекопитающих (Эмирбеков, Львова, 1985). При зимней спячке использование депонированного жи ра возрастает, о чем свидетельствует увеличе ние уровня жирных кислот (в крови в 1,5–2 раза). B то же время
содержание жирных кислот в крови воз растает более, чем в 2 раза во время
пробуждения.
Интерес представляют работы, в которых наблюдается факт отсутствия
существенного изменения содержания кетоновых тел, главным образом, ацетоацетата при зимней спячке и заметного увеличения их содержания при пробуждении (Львова, 1990).
Кетоновые тела, отли чающиеся хорошей растворимостью в воде, легко
проникают в ткани. Они являются не только калорийными энергетическими
суб стратами, но активно участвуют в пластиче ском обмене.
Значительно измененятся содержание холестерина и фосфолипидов
в динамике зимней спячки и при пробуждении (Львова, 1990): уменьшается
уро вень фосфолипидов при кратковременной и длительной гибернации и увеличивается ко личество холестерина при длительной зимней спячке, а затем при
пробуждении.
Зимняя спячка сопровождается измене нием мембранных липидов, особенно увели чивается уровень ненасыщенных жирных ки слот, что позволяет, видимо, снизить темпе ратуру кристаллизации мембран (Blacker, 1978; Aloia, 1980).
Воз можно, этот механизм не является всеобъем лющим – имеются органные
Глава 3. Регуляторные механизмы азотистого метаболизма при зимней спячке 27
и видовые раз личия (Aloia, 1980). Сохранение жидкокристалличе ского со-
стояния мембран (или их отдельных участков) способствует поддержанию при
ги бернации ионных градиентов, рецепции гор монов, активности мембранных
ферментов, в частности К-АТФазы (Радловская, 1980).
Важная роль в адаптационных процессах мембран принадлежит перекис-
ному окислению липидов (ПОЛ). У гибернирующих (6–8 °С) сус ликов интен-
сивность ПОЛ в мозге понижается (Шугалей и др., 1988).
Значительную роль в регуляции гиберна ционного цикла играют ней-
ромедиаторные аминокислоты и пептиды (Эмирбеков, Львова, 1985; Демин,
Шортанова, Эмирбеков, 1988). Так, перед зимней спячкой и в ее начале увеличивается содержание ГАМК, глутамина, таурина и цистотионина – тормозящих
медиаторов и понижается содержание глутамата и аспарата – возбуждающих
медиато ров. При удлинении же зимней спячки количе ство ГАМК значительно
снижается. Следова тельно, усиление процесса синтеза ГАМК, ко торый связан,
прежде всего, с синаптическими структурами, важно в начале спячки, когда
снижение метаболизма еще невелико.
Зимняя спячка млекопитающих сопровож дается изменением белковых
сульфгидрильных и амидных групп, а также растворимостью, электри ческой
подвижностью белков мозга (Эмирбеков, Львова, 1985). Установ лено снижение
гидрофобности белков в водорас творимой фракции белков мозга сусликов
уже на 7-й день гибернации (6–8 °С) и такое же изменение в водонерастворимой (преимущественно, мембра носвязанной) фракции при месячной спячке
(Эмирбеков, Абдуллаев, 1990). Наши данные свидетельствуют о конформационных изменениях белковых молекул, а также об изме нении прочности встраивания белков в клеточные мембраны и об участии этих процессов в меха низмах
адаптации к холоду.
Изучая системы биохимических реакций освобождения и связывания
аммиака (глутамин, глутамат, ГАМК, аспартат, мочевина) и фер ментов, регулирующих метаболизм аммиака (глутаминаза, глутамин- и аспартатсинтетазы;
аланин- и ас партат-аминотрансферазы) в головном мозге сус ликов (Эмирбеков,
Львова, 1985; Демин, Шортанова, Эмирбеков, 1988), мы выявили их роль
в регуля ции зимней спячки и пробуждении. Аммиак и мочевина могут играть
роль нейромодуляторов, участвующих в модификации белков-ферментов.
Система освобождения и связывания аммиака у гибернаторов отличается
большей, по сравнению с незимоспящими, лабильностью и, видимо, является
определенным звеном в механизмах биохимической адаптации к низкой тем-
пературе тела.
Материалы демонстрируют, что нейрохи мические изменения при зимней
спячке по направленности регуляторных процессов углеводно-энергетического,
липидного и азотно-белкового обмена (Эмирбеков, Львова, 1985) при зимней
28 Молекулярные процессы в мозге при естественной гипотермии
спячке животных значительно отличаются в разные периоды цикла зимней
спячки.
Анализ экспериментальных данных, накопленный в литературе на сегодняшний день, не дает пока повода к широким обобщениям относительно механизмов регуляции зимней спячки.
Наименее изучены особенности в нейрохимическом плане процессов погружения в спячку и выхо да из нее, что может являться предметом дальнейших
исследований.
Особое внимание обращает на себя тот факт, что на фоне значительного
снижения общего метаболизма животных во время зим ней спячки наблюдается
ряд нейрохимических реакций, активность которых сохраняется на достаточно
высоком уровне. Видимо, такая высокая активность ферментных систем, не
характерная для животных, неадаптированных к низким температурам тела,
является резуль татом контроля регуляторных механизмов со стороны нейроэндокринного аппарата.
Обзор литературных данных и собственных исследований позволяет выделить роль регуляторных метаболических процессов с участием нейромедиаторов, модуляторов, пептидов и триггеров в таком сложном функциональном
состоянии, как зимняя спячка.
НЕЙРОМЕДИАТОРЫ, НЕЙРОМОДУЛЯТОРЫ
И ТРИГГЕРЫ В ДИНАМИКЕ ЗИМНЕЙ СПЯЧКИ
На фоне периодических сдвигов эндокринной активности при зимней
спячке – ее начала, поддержания, подготовки к выходу из нее и самом пробуждении – проявляется деятельность определенных нейрохимических механизмов динамики зимней спячки.
Переход гибернантов от нормального циркадианного ритма активного
бодрствования и обычного сна к режиму зимней спячки при постепенном
сезонном похолодании естественной среды их обитания также постепенен
и начинается с периода дремотного состояния. В нейрохимическом отношении
механизм начала зимней спячки оказался близким к тем же самым процессам,
которые проявляются в ЦНС при обычной смене активного бодрствования
дремотой, переходящей в медленноволновую фазу сна. Как при естественном сне, так и при вхождении в зимнюю спячку, в головном мозге имеют
место активация серотонинергических структур (прежде всего в стволовой
части мозга, особенно дорсального ядра шва) и торможение адренергических
(Попова и др., 1978; Попова, 1979, 1986; Муравьева, Буданцев, 1983; Тимофеев,
Константинов, 1985).
Глава 3. Регуляторные механизмы азотистого метаболизма при зимней спячке 29
СЕРОТОНИН
На важнейшую роль серотонина в динамике зимней спячки ясно указали
Спаффорд и Пенджелли (Spaord, Pengelley, 1971), нашедшие, что разрушение
серотонических ядер шва в среднем мозге сусликов (Citellus lateralis) (с соответствующим снижением содержания серотонина в переднем мозге) приво-
дило к необратимому прекращению зимней спячки. Введение животным хлорфенилаланина, тормозившее биосинтез серотонина, лишь временно нарушало
спячку. Далее было обнаружено, что у этого вида сусликов наступившая спячка
сопровождалась снижением содержания серотонина в головном мозге.
Большое внимание роли серотонина в динамике зимней спячки (у сибирских
краснощеких сусликов – Citellus erythrogenus major) было уделено Н. К. Поповой
и ее сотрудниками, выполнившими в этом направлении обширную, весьма результативную работу. В начале 70-х годов ими было установлено (Кудрявцева,
Попова, 1973), что содержание серотонина в гиппокампе сусликов начинало постепенно повышаться уже в осенний период, когда животные были пока вполне
активны. Это повышение достигало максимальных величин (в 1.5 раза выше, чем
при активном эутермном состоянии) при температуре тела еще 15–16 °С вскоре
после начала зимней спячки. В течение зимней спячки при температуре тела
2–3 °С содержание серотонина в гиппокампе постепенно уменьшалось, оставаясь все же выше, чем при эутермии. Видимо, для поддержания уже развившейся
спячки высокое содержание серотонина в гиппокампе больше не требуется.
Достоверное повышение содержания серотонина, причем лишь при засыпании сусликов, было выявлено у них также и в заднем мозге; статистически
недостоверное (из-за большого разброса данных) увеличение количества серотонина в этот период было отмечено также в гипоталамусе, промежуточном (без гипоталамуса) и среднем мозге. При понижении температуры тела
до 9–11 °С повышение содержания серотонина становилось достоверным и в
гипоталамусе, и в среднем мозге. Во время глубокой зимней спячки с температурой тела 2–3 °С достоверно выше содержание серотонина оказалось и в
промежуточном мозге (без гипоталамуса) (Кудрявцева, 1977). Содержание же
серотонина в течение зимней спячки в больших полушариях головного мозга
и в мозжечке статистически достоверных колебаний не претерпевало.
Естественное весеннее (в апреле) пробуждение сусликов уже через 2,5 ч
сопровождалось резким падением количества серотонина в гиппокампе лишь
с последующим повышением до уровня, характерного для эутермного периода;
снижалось при этом содержание серотонина также в гипоталамусе, заднем
и промежуточном мозге (Кудрявцева, Попова, 1973).
Введение серотонина непосредственно в переднюю часть гипоталамуса не
влияло достоверно на ход восстановления эутермии у сусликов (Citellus lateralis)
30 Молекулярные процессы в мозге при естественной гипотермии
при их выходе из спячки (Beckman, Satino, 1972). Далее, Поповой и Кудрявцевой
(1985) было показано, что серотонин и 5-окситриптофан оказывали явное тормозящее влияние на термогенез во время пробуждения сусликов только при
периферическом (внутрибрюшинном) введении, но не центральном (внутрижелудочковом, при введении серотонина). При центральном введении серотонин
четко замедлял поведенческое пробуждение животных, удерживая сноподобное
состояние. Следует упомянуть, что в тех же исследованиях было установлено
отсутствие какого-либо влияния на пробуждение внутрибрюшинных инъекций
метаболитов триптофана – 5-оксииндолуксусной кислоты и 5-окситриптофола,
а введение блокатора обратного поглощения серотонина нервными окончаниями – имипрамина – задерживало термогенез, ускоряя поведенческое пробуждение (Попова, 1975). Как писала Н. К. Попова (1986): «Несмотря на то, что
способность ингибировать метаболизм и понижать температуру тела у нормотермных животных проявляет как серотонин головного мозга, так и серотонин
периферии, у пробуждающихся от зимней спячки сусликов эффективно блокирует термогенез периферически, но не центрально вводимый серотонин и его
предшественник 5-гидроокситриптофан. В то же время отмечено увеличение
уровня серотонина в ряде образований мозга и понижение его катаболизма при
впадении в зимнюю спячку и противоположные изменения при пробуждении.
Предположительно, что в зимней спячке серотонин мозга и периферических
тканей участвует в регуляции разных процессов: серотонин периферии принимает участие в возникновении и поддержании характерной для зимней спячки
гипотермии, серотонин головного мозга действует как ингибитор поведения и,
возможно, некоторых физиологических функций».
Как было установлено Л. А. Корякиной и соавт. (1977), после внутрижелудочковых инъекций серотонина или 5-окситриптофана поведенческое
пробуждение сусликов протекало все же при более высокой температуре, чем
у интактных животных.
При исследовании влияния серотонина на теплопродукцию при сократительной активности скелетных мышц (дрожательный термогенез)
Н. Н. Кудрявцева и М. А. Якименко (1981) показали, что в результате внутрибрюшинного введения серотонина (10 мг/кг) выходившим из зимней спячки
сусликам (Citellus erythrogenys) имела место задержка саморазогревания (вдвое),
коррелировавшая (по электромиографическим данным) с резким падением
активности мышц шейно-межлопаточной области. Подобное же введение серотонина летом эутермным животным через 25 мин приводило к снижению температуры в тех же мышцах на 2 °С. Эти данные также указывают на большую,
если не ведущую, роль сократительной активности мышц при саморазогревании выходящих из спячки сусликов. По данным В. Д. Ситникова и соавт. (1986),
введение серотонина тормозит и потребление О2, интенсивность которого при
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]