Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Молекулярные процессы в мозге при естественной гипотермии
.pdf
Глава 4. Биоэнергетика головного мозга при зимней спячке 71
Так, при недельной зимней спячке (температура тела 10 °С) интенсивность
анаэробного и аэробного глико лиза понижается на 71 %. Существенно (в 2–2,5
раза) уменьшается при зимней спячке уровень лактата в крови.
Наряду со снижением анаэробных окислительных процессов при зимней
спячке очень заметно понижается интенсивность дыхания. Например, при тем-
пературе тела 15 °С летучие мыши потребляют в 40 раз меньше кислорода, чем при
37 °С (Шмидт-Ниельсен, 1982). Частота дыхания при зимней спячке снижается
с 80–120 до 2–4 экскурсий в минуту, а частота сердечных сокращений – с 500–300
до 7–2 в 1 мин (Штарк, 1970). Вместе с тем в тканях не возникает дефицита кисло-
рода, поскольку его потребление понижается так же, как и его доставка.
В опытах in vitro с использованием манометрического метода показано,
что потребление кислорода срезами коры больших полушарий мозга сусликов
снижается на 29 % при погружении в спячку (температура тела 23–24 °C), на
69 % при однодневной спячке (температура тела 10 °) и на 78 % при недель ной
зимней спячке (Эмирбеков, Львова, 1984). Тканевое дыхание мозга, особенно
коры, при гиберна ции очень чувствительно к цианадам (Русев, Стефанов,1968).
Это связано со значительным по нижением при зимней спячке (температура
тела 5–10 °C) активности цитохромоксидазы в мозге сусликов. В то же время
активность сукцинатдегидрогеназы в больших полушариях и продолговатом
мозге сохраняется на уровне контроля, а в среднем увеличивается на 42 %.
Высокая активность сукцинатдегидрогеназы поддерживается при гибер-
нации и в миокарде сусликов (Zimny, Roncano, Haudel, 1972). Определение зависимости активности сукцинатдегидрогеназы от температуры в митохондриях
скелетных мышц сусликов и крыс показало сдвиг критической температуры
на кривых Аррениуса у сусликов в область более низких (на 10 °С) температур
(Радловская, 1980). Цитохимические исследования активности сукцинатдегид-
рогеназы у ежей и сопоставление их с результатами электрофизиологических
исследований выявили, что максимальная активность этого фермента свойственна тем структурам мозга (нейроны варолиева моста, продолговатого моз-
га, гиппокампа), которые наиболее функционально активны в период спячки
(Штарк, 1970). Более поздними гистохимическими исследованиями (Муравьева,
Хачко, Буданцев, 1984) показано, что активность сукцинатдегидрогеназы в девяти областях переднего и среднего мозга у сусликов во время зимней спячки достоверно не изменяется по срав нению с состоянием бодрствования, а в черной
субстанции ее активность до стоверно повышается у спящих животных.
Эти данные, наряду с изучением электрофизиологических показателей дея-
тельности мозга, ультраструктуры синаптических везикул и мембран митохонд-
рий (Штарк, 1970), свидетельствуют об отсутствии при гибернации кислород-
ной недоста точности в мозге. К такому выводу можно прийти и относительно
миокарда на основании изучения его микроструктуры, числа митохондрий, их
72 Молекулярные процессы в мозге при естественной гипотермии
строения, содержания молочной кислоты (Aloia, Pengelley, 1971; Roberts, Chael,
1973). Сердце зимоспящих млекопитаю щих способно сокращаться при температуре 1–0 °С (Проссер, 1977). При такой температуре гибернации сохраняется
гормональная регуляция сердечной деятельности, зна чительно возрастает количество β-адренорецепторов (Губина, Беркало, Жегунов, Утевский, 1988).
Приведенные материалы свидетельствуют о достаточно эффективном
функ ционировании при зимней спячке флавинзависимых дегидрогеназных
участ ков дыхательной цепи. Исследования на печени зимоспящих млекопитающих приводят к выводу о том (Брустовецкий, Маевский, Гогвадзе, 1987),
что окисление в период гибернации тормозится на внутренней мемб ране
митохондрий на этапе ФАД-Нг – цитохром С. Увеличение концентрации Са2+,
активируя фосфолипазу Аг, способствует усилению дыхания главным образом
вследствие перестройки внутренней мембраны митохондрий (Брустовецкий,
Маевский, Гогвадзе, 1987). Есть основания считать, что способность к точной
регуляции уровня клеточного Са2+ в печени у спящих при температуре тела 4 °С
сусликов сохраняется дли тельное время (Pehowich, Wang, 1987).
В печени млекопитающих во время спячки сохраняется довольно интенсивный уровень микросомального окисления, способствующего процессам детоксикации (Кудокоцева, 1987).
Интенсивность дыхания разных тканей при зимней спячке понижается не
в одинаковой мере. Так, сравнительное изучение потенциальной способности
к поглощению кислорода кашицами тканей бедренной и жевательной мышц,
миокарда, печени, почек и бурого жира краснощеких сусликов при температуре 37 °С на субстрате глюкоза + сукцинат показало, что дыхание по сравнению
с бодрствующими животными в ткани почек снижено на 27 %, скелетных мышцах, миокарде и печени на 15–20 %, а в бурой жировой ткани существенно возросло (Хаскин, Синдаровская, Погребнякова, 1977).
Следует отметить, что определение интенсивности того или иного процесса у находящихся в спячке животных при оптимальной температуре
(обычно 37 °С) характеризует скорее потенциальную способность ткани, наличие или отсутствие в ней необратимых изменений тех или иных процессов.
В то время как более реальную картину истинного характера изменений дают
исследова ния при температуре, соответствующей температуре тела животного,
находяще гося в состоянии спячки (Эмирбеков, Львова, 1985). Приведенные
материалы показывают, что при зимней спячке лучше всего поддерживается
потенциальный уровень дыхания в сердце и мозге (особенно в среднем и продолговатом мозге и в некоторых под корковых структурах), а также в буром
жире, т. е. в тех органах и тканях, ко торые несут при спячке наибольшую функциональную нагрузку. В этих же тка нях при гибернации сохраняются нормальная ультраструктура, ионный гра диент и транспорт через мембраны.
Глава 4. Биоэнергетика головного мозга при зимней спячке 73
Для большинства тканей спящих млекопитающих, за исключением нерв-
ной ткани и эритроцитов, основным энергетическим субстратом, как известно, являются жирные кислоты. Об этом свидетельствует значительная
убыль де понированных в белой жировой ткани триацилглицеринов, снижение
дыхатель ного коэффициента до 0,7, высокий уровень свободных жирных
кислот в крови вследствие интенсивно протекающего процесса липолиза и др.
(Эмирбеков, Львова, 1985). Окисле ние ацил-КоА с участием флавиновых деги-
дрогеназ характеризуется укорочен ной цепью переноса электронов, большой
скоростью, успешной конкуренцией с окислением других, преимущественно
НАД-зависимых субстратов. Окис ление жирных кислот, поставляя ацетилКоА, способствует интенсификации глюконеогенеза, активируя пируваткарбоксилазу в печени. Белая жировая ткань млекопитающих, находящихся в состоянии спячки, сохраняет чувстви тельность глюкагону (Hoo-Paris, Moreau,
Castex, Suer, 1987), в то время как количество инсулиновых рецепто ров при
этом резко понижается (Castex, Sutter, 1981).
В крови малых кавказских сусликов при 3-месячной зимней спячке (10 °С)
наблюдается увеличение в 2,2 раза суммарного содержания кетоновых тел
(табл. 4). В печени, скелетных мышцах, миокарде и мозге в этих условиях со-
держание кетоновых тел не подвергается существенным изменениям, но увеличивается доля ацетоуксусной кислоты.
Динамика концентрации АТФ и креатинфосфата при зимней спячке млекопитающих в разных тканях отличается и в значительной степени зависит от
глубины и продолжительности спячки (Эмирбеков, Львова, 1985).
Так, определение АТФ и креатинфосфата в мозге сусликов показывает, что
на всех этапах зимней спячки уровень АТФ и креатинфосфата в той или иной
мере превышает контроль (Львова, 1972; Эмирбеков, Львова, 1985). Как при
кратковременной, так и при дли тельной зимней спячке снижение температуры
тела приводит к тому, что ак кумулирование макроергических фосфатов происходит в основном в виде кре атинфосфата, а не в виде АТФ. Эта же закономер-
ность наблюдается в скелетных мышцах и в миокарде у сусликов при кратковременной спячке с температурой тела 4–7 °С (Zimny, 1960).
Наряду с высокой концентрацией макроергических фосфатов в мозге
у спя щих сусликов поддерживается и высокий уровень неорганического фосфора. Поскольку количество неорганического фосфора в крови у сусликов при
впаде нии в спячку и при выходе из нее существенно не отличается от контроля (Львова, 1972), то его источником, видимо, являются фосфорсодержащие
соединения самого мозга, возможно фосфолипиды.
В отличие от мозга и миокарда, в скелетных мышцах сусликов, находящихся в состоянии зимней спячки в течение 3 мес. при температуре 10 °С,
наблюдается снижение уровня креатинфосфата при неизменном содержании
74 Молекулярные процессы в мозге при естественной гипотермии
АТФ (табл. 5). При более глубокой (4–5 °С) и кратковременной зимней спячке
количество креа тинфосфата в скелетных мышцах несколько превышает контрольный уровень.
Таблица 5
Содержание АТФ, креатинфосфата и неорганического фосфата
в мышечных тканях и печени сусликов при 3-месячной гибернации (10 °С)
и пробуждении, мкм/г (М ± m)
Вариант опыта АТ Ф Креатинфосфат Рнеорг
Миокард
Контроль
Гибернация
Пробуждение
Жевательная мышца
Контроль
Гибернация
Пробуждение
Трапециевидная мышца
Контроль
Гибернация
Пробуждение
Икроножная мышца
Контроль
Гибернация
Пробуждение
Камбаловидная мышца
Контроль
Гибернация
Пробуждение
Печень
Контроль
Гибернация
Пробуждение
4,0 ± 0,57
6,4 ± 0,6
6,0 ± 0,1
8,2 ± 0,4
11,0 ± 0,6
7,8 ± 0,13
7,0 ± 0,75
8,4 ± 0,85
8,0 ± 0,33
7,2 ± 0,5
6,4 ± 1,2
6,1 ± 0,4
13,3 ± 1,2
15,8 ± 0,6
7,0 ± 0,2*
2,4 ± 0,11
4,8 ± 0,26*
2,6 ± 0,16
2,7 ± 0,34
4,8 ± 0,11*
3,0 ± 0,25
10,0 ± 0,7
5,2 ± 0,3*
4,3 ± 0,6*
5,0 ± 0,55
3,4 ± 0,47
1,7 ± 0,34*
8,0 ± 0,83
3,7 ± 0,3*
2,6 ± 0,24*
9,2 ± 0,4
4,3 ± 0,14*
0
4,2 ± 0,3
1,9 ± 0,17*
0,61 ± 0,06*
16,4 ± 0,8
15,4 ± 0,8
14,4 ± 1,5
18,0 ± 2,4
17,5 ± 0,9
20,0 ± 0,3
16,0 ± 1,0
18,0 ± 0,6
23,0 ± 2,5
15,5 ± 0,6
15,0 ± 0,93
18,6 ± 1,0
23,04 ± 1,15
23,0 ± 0,82
30,0 ± 1,4
10,3 ± 1,6
13,8 ± 0,5
12,3 ± 0,35
Примечание. Звездочкой обозначены достоверные изменения (Р<0,05) по сравнению
с летом, двумя звездочками – по сравнению с осенью.
Таким образом, при гибернации млекопитающих содержание макроэргических фосфатов и неорганического фосфора поддерживается на довольно высоком уровне, что связано со значительным снижением процессов их ути лизации.
Выход из зимней спячки. Одной из особенностей зимоспящих млекопитающих является их способность к быстрому выходу из спячки с нормализацией
температуры тела и восстановления функции всех органов и систем организма.
Глава 4. Биоэнергетика головного мозга при зимней спячке 75
Быстрое повышение температуры тела у зимоспящих млекопитающих идет
за счет значительного усиления термогенеза в ходе активирования окислитель-
ных процессов и распада макроэргических фосфатов. Синтез АТФ нормали-
зуется только при завершившемся пробуждении (Миронова, Федотчева, 1987).
Известно, что при пробуждении зимоспящих млекопитающих кровь
посту пает, прежде всего, в переднюю часть тела (Штарк, 1970; Шмидт-Ниельсен,
1982). Там, проходя через бурую жировую ткань, расположенную в межлопаточной зоне и около сердца, кровь подогревается за счет существенного усиле-
ния в этой ткани окислительных про цессов, идущих с низким значением Р/О
(Хаскин, Синдаровская, Tashima, Adelstein, Lyman, 1970). Масса бурой жировой
ткани при этом может понижаться на 45 % (Слоним, 1971). Подогретая кровь
способствует бы строй нормализации функций мозга и сердца.
Глава 5.
ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС
ПРИ ЗИМНЕЙ СПЯЧКЕ
Поддержание активной регуляции дыхания митохондрий и возможность
ее усиления сохраняет опасность повышения генерации АФК и усиление их
повреждающего действия, даже во время глубокого оцепенения (Boyer, Barnes,
2000).
Иследования других авторов (Саrеу at аl., 2000) указывают на много кратное
увеличение стрессовых белков в различных тканях на всем протяжении спячки
в отличие от летних активных животных.
Механизмы подавления метаболизма у зимоспящих могут включать: ингибирование синтеза и катаболизма, фосфорилирования и дефосфорилирования белков, изменение цитоскелета клетки, свойств мембранных структур,
нарушение компартментализации в клетке, что так же может приводить к изменению активности мембранных ферментов (Саrеу at аl., 1999; Lee at аl., 2002).
Известно, что во время зимней спячки процессы синтеза и включения
предшественников в липиды тканей гибернирующих сусликов, несмотря на
низкую температуру тела протекают довольно активно.
Особенно много вновь синтезированных липидов в микросомальной
фракции печени. При этом содержание жирных кислот в крови зависит от
дли тельности спячки и от возраста животного. Концентрация жирных кислот
в сы воротке крови на начальных этапах падает, но в дальнейшем и к концу
баута достоверно превышает контроль (Malаtеstа at аl., 2002;).
Состав жира гибернантов отличается от жира незимоспящих животных
большим содержанием ненасыщенных жирных кислот: арахидоновой, линоленовой, линолевой, что позволяет липидам поддерживать текучесть и
метаболизироваться при температуре тела близкой к нулю (Gеisеr, 1994). С отложением жира у зимоспящих грызунов происходит накопление витамина Е – мощного антиоксиданта, подавляющего интенсивность ПОЛ (Калабухов, 1985).
Одновременно во время зимней спячки увеличивается индекс ненасыщенности и в мембранных структурах клетки, что считают одним из главных
факторов «гомовязкостной» адаптации. Это обеспечивает сохранение интегративных функций мембранных структур зимоспящих при низких температурах
(Gеisеr, 1990; Коломийцева, 1997; 1984; Аzzam at аl., 2000).
Глава 5. Окислительный стресс при зимней спячке 77
Однако наряду с адаптивной ролью ненасыщенных жирных кислот они
являются основным субстратом ПОЛ, который инициируется АФК. Этот про-
цесс может активизироваться во время пробуждения от спячки, так как резко
активируется дыхание митохондрий, в котором непосредственное участие при-
нимает Са-зависисимая фосфолипаза.
Предпочтительная утилизация жиров в период спячки приводит к кето-
зу. Увеличение кетоновых тел не только удовлетворяет потребности в энер-
гии, но так же использование глюкозы тканями во время зимней спячки
приводит к ее накоплению. Накопление глюкозы во время спячки важно, так
как это сохраняет тканевые белки, которые могут служить источником для
глюконеогенеза (Мueller at аl., 1997, 2002). Резко активирующийся гидролиз
липидов во время пробуждения от зимней спячки приводит к повышению
ß-окисления жирных кислот с образованием большого количества Н2О2 –
основного источника гидроксильного радикала и инициатора процессов
ПОЛ.
В этом плане потенциально опасными периодами зимней спячки являются
вход в оце пенение и выход из нее. Как известно, при этом в организме зимоспя-
щего животного происходит резкая смена одного метаболического состояния
на дру гое, которая сопровождается ишемией, реперфузией, интенсификацией
активности многих ферментных комплексов (Dгеw at аl., 2001).
В результате таких резких изменений в тканях зимоспящих активируются
процессы образования АФК (Саrеу at аl., 2003).
Закисление среды, в результате задержки выведения СО2, «дыхательного
ацидоза» в тканях зимоспящих животных в состоянии торпидности, снимается во время пробуждения и сменяется на ацидоз, вызванный накоплением
молоч ной кислоты во время пробуждения (Frerichs at аl., 1994; Wang at аl., 1996;
Frerichs, Hallênbeck, 1988). Это может привести к снижению прочности ком-
плексов бел ков с металлами переменной валентности таких, как лактоферин,
трансферин, ферритин, церулоплазмин, которые могут участвовать в процессе
стимулирования образования гидроксильного радикала (Rice, 2000; Hermes-
Lima; Zenteno-Savin, 2002).
Во время зим ней спячки в связи с тем, что животные находятся на эндо-
генном питании, когда энергетическим субстратом клетки становятся жиры,
может усиливаться образование активных форм кислорода (Калабухов, 1985).
Процессы свободнорадикального окисления макромолекул в тканях
усиливаются не только во время пробуждения, но и в состоянии оцепенения.
Так, в своей работе Кери и сотрудники обнаружили многократное увеличение
первичных продуктов ПОЛ – диеновых конъюгатов, в эпителии тонкого кишечника во время глубокого оцепенения в сравнении с активными летними
животными (Саrеу at аl., 2000). Активация ПОЛ в состоя нии зимней спячки
78 Молекулярные процессы в мозге при естественной гипотермии
может осуществляться за счет падения активности ряда звеньев антиоксидантной системы клетки (Buzadzic at аl., 1990).
Особенно сильно подвержен окислительному стрессу головной мозг,
ко торый обусловлен, с одной стороны, высоким уровнем окислительного
метабо лизма, индекса ненасыщенных жирных кислот, присутствием металлов
переменной валентно сти (Ames, 2000; Bush, 2000), нали чием в клетках мозга
высокой активности моноаминооксидазы, большой концентрации нейромедиаторов, самопроизвольноокисляющихся с образованием супер оксидного радикала и гидропероксида (Lipton, 1999), с другой стороны, низкой активностью
антиоксидантных ферментов (Chance at аl., 1979).
Все перечисленные факторы при ишемии усиливают окислительный стресс,
вызывая повреждения функционально важных клеточных структур (Kirino,
2002). Восстановление нормального кровообращения подстерегают последствия
кислородного парадокса, что приводит к росту активных форм (Lipton, 1999).
Толерантность мозга зимоспящих животных к ишемии во время зимней
спячки обеспе чивается многочисленными приспособительными реакциями,
выработанными в ходе эволю ции: понижение внутриклеточной концентрации
О2, общее снижение анаэробного гликолиза и др. (Frerichs at аl., 1994; Storey,
1997; Frerichs at аl., 1998).
Быстрое пробуждение животных от зимней спячки приводит к резкой
активизации образования АФК, дыхания митохондрий. Эти процессы сопровождаются повышением активности фермента ксантиноксидазы, приводящей
к повышению мочевой кислоты и кислородного радикала. Во время пробуждения активизируются NО-синтетаза как нейрональная, так и индуцируемая,
отве чающая за кровоток всех тканей путем расширения сосудов и участ вующая
в процессах терморегуляции, что приводит одновременно к образованию пероксинитрита (Toien at аl., 2001).
Важным фактом является то, что во время естественного охлаждения (гибернации), в тканях, в особенности в го ловном мозге, повышается содержание
стрессовых белков. При этом в отличие от других тканей, в силу своей специфичности, максимальное повышение стрессовых белков в мозге наблюдается во
время пробуждения от зимней спячки (Lee at аl., 2002).
В период зимней спячки в мозге активируются факторы генного ответа.
Синтез семейства митохондриальных белков, таких как глюкозорегулирующие
белки (GRP75, GRP78, GRP94), при зимней спячке в тканях повышается в 3–6
раз. Экспрессия этих белков повышается в ответ на изменение метаболизма, нехватки глюкозы, АТФ, нарушения гомеостаза Са2+, гипоксии, аноксии,
окис лительного стресса, при ишемии с последующей реперфузией, «взрывоподобной» активации дыхания митохондрий во время выхода животного из
состоя ния гибернации. Важно отметить, что индукция белков ассоциирована
Глава 5. Окислительный стресс при зимней спячке 79
с оксидативными по вреждениями клеточных структур (Саrеу at аl., 1999; Lee at
аl., 2002; Wang at аl., 2002).
В адаптационных процессах при зимней спячке главная роль ложится на
функционирование антиоксидантной системы организма, которая может активироваться под воздействием внешних факторов среды и под воздействием
эндогенных ритмов (Blagojevic at аl., 1998).
Таким образом, анализ литературных сведений и наших собственных
данных показывает, что феномен зимней спячки – эволюционно выработанная и генетически закрепленная адаптация, ос новное направление которой –
выживание вида в экстремальных условиях путем значительного изменения
физиологических и биохимических процессов. Но минимизация энергетических затрат во время спячки прерывается резким уси лением окислительного
метаболизма, так как спячка – прерывистый процесс и состоит из баутов.
Мы исследовали состояние компо нентов антиоксидантной системы и процессов свободнорадикального окисления липидов в тканях суслика, как в динамике зимней спячки, так и в динамике баута.
Глава 6.
ПЕРЕКИСНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ
В МОЗГЕ ПРИ ЗИМНЕЙ СПЯЧКЕ
В адаптационных процессах зимней спячки млекопитающих, когда у нихтемпература тела снижается естественным путем, роль липидов мембранных структур головного мозга значительно повышается: увеличивается
доля ненасыщен ных жирных кислот и снижается содержание холестерина
(Dеmediuk at al., 1983; Azzam at al., 2000; Коломийцева и др., 2003).
Начиная с 1985 года в нашей лаборатории (Эмирбеков, Эмирбекова, 1985)
проводятся систематические исследования перекисного окисления липидов
(ПОЛ) мозга при зимней спячке. При подготовке к зимней спячке в фосфолипидах коры головного мозга сусликов повышается уровень изолированных
двойных связей (ИДС), резко увеличивается (на 75 %) содержание первичных
продуктов ПОЛ – диеновых конъюгатов (ДК) относительно контроля. Однако
результаты по содержанию конечного продукта ПОЛ – малонового диальдегида
(МДА) в коре мозга в отличие от ДК указывают на незначительные изменения
исходного уровня МДА в этот период.
При кратковременной зимней спячке в коре головного мозга параллельно
снижается ИДС и ДК (на 27 % и 11 %, соответственно), но в то же время наблюдается повышение исходного уровня МДА на 25 % относительно контроля.
По результатам эспериментов, выполненных в нашей лаборатории
(Абдуллаев, 2005), установлено значительное повышение изолированных
двойных связей и диеновых конъюгатов в коре головного мозга в середине
баута первого месяца зимней спячки сусликов, после спонтанного пробуждения – снижение, не достигая контрольного уровня. В то же время сниженное
содержание МДА в середине баута зимней спячки, после спонтанного пробуждения повышается (на 17 % выше контрольного уровня).
Как видно по таблице 6 в коре головного мозга сусликов на разных этапах
баута 3-месячной спячки резко повышается содержание ИДС и по сравнению
с таковым у бодрствующих зверьков и существенно не изменяется при спонтанных пробуждениях. У этой группы животных содержание МДА в коре мозга
превышает контрольный уро вень только в середине баута.
Содержание субстратов – первичных и промежуточных продуктов ПОЛ
в коре головного мозга сусликов остается по вышенным и через 2 недели после
выхода животных из состояния зимней спячки.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]