Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физиология адаптационных процессов. Учебное пособие
.pdf
адаптации к холоду, развивающиеся на уровне организма, опосреду
ются, особенно на ранних стадиях, адаптационной перестройкой
аппарата центральной регуляции.
В данном контексте важно, что при действии холода центральные
регуляторные механизмы приводят к стабильной активации по меньшей мере двух упомянутых звеньев регуляции – САС и щитовидной
железы. Катехоламины и гормоны щитовидной железы, в свою очередь, вызывают развитие в исполнительных органах таких метаболических, а затем и структурных изменений, которые становятся основой увеличенного преобразования энергии. В результате энергии,
рассеивающейся в виде тепла, хватает на сохранение температуры
в условиях холода, а энергии, аккумулированной в форме АТФ, ока
зывается достаточно для обеспечения жизненно важных функций
и поведенческих реакций организма в этих условиях – оказывается
достигнутой устойчивая, долговременная адаптация.
Роль адренергической регуляции в адаптации к холоду вытекает
из факта ее возбуждения и увеличенной секреции катехоламинов
надпочечниками в острой, аварийной стадии адаптации. При изучении долговременной адаптации оказалось, что при остром действии
холода (–20 °С) дольше всего жили и сохраняли температуру тела
крысы, адаптировавшиеся к холоду. «Норадреналиновые» же крысы
несколько уступали «холодовым», но переносили действие холода
значительно лучше, чем контрольные животные.
Эта имитация адаптации к холоду с помощью норадреналина соответствует факту, что такая адаптация сопровождается значительной
активацией мозгового слоя надпочечников и симпатической нервной системы.
Действие норадреналина на несократительный термогенез осуществляется синергично с действием тироксина, АКТГ, кортикостероидов. Несомненно, что катехоламины играют особенно важную
роль в адаптации к холоду.
В процессе адаптации к холоду увеличение экскреции норадреналина у крыс является многократным и постоянным. Эта гиперпродукция катехоламинов сочетается во время холодовой адаптации
с увеличением реакции организма на адреналин и норадреналин.
Далее выяснилось, что жизненно важная роль симпатического
звена регуляции в приспособлении к холоду определяется тем, что
именно интенсивный катехоламиновый эффект может обеспечить
операцию разобщения дыхания и фосфорилирования и быстрое увеличение образования тепла в условиях целого организма.
Длительный период или повторные периоды такого рода катехоламинового разобщения сопровождаются относительным дефи цитом
АТФ и лишь постепенно приводят к холодовой адаптации. Поэтому
-
-
201
можно представить себе, что при адаптации к холоду вслед за периодом относительного дефицита АТФ развивается увеличение общей
мощности митохондрий на единицу массы ткани, которое компенсирует недовыработку АТФ каждой митохондрией и делает функции
организма устойчивыми.
В развитии этого главного сдвига, составляющего существо долговременной адаптации к холоду, важную роль играет второй регуляторный фактор, запускающий адаптацию, – увеличение секреции
тиреоидных гормонов.
Центральная нервная система, как было отмечено выше, увеличивает функцию щитовидной железы непосредственно в ответ на
действие холода. При этом под влиянием «освобождающего» фактора гипоталамуса резко возрастает секреция передних долей гипофиза тиреотропина, который, в свою очередь, увеличивает секреторную
функцию щитовидной железы.
Это увеличение функции щитовидной железы при адаптации
к холоду проявляется в повышении ее массы и гистологических изменениях в фолликулах, свидетельствующих о гиперсекреции, но не
сопровождается увеличением концентрации в крови тироксина или
ростом реактивности организма к данному гормону.
Физиологическая ситуация, которая делает совместимой увеличенную секрецию тиреоидного гормона и нормальную концентрацию его в крови, была раскрыта применительно к холодовой адаптации в серии исследований, однозначно свидетельствующих об увеличенном потреблении тироксина тканями адаптированных
животных.
Установлено, что кругооборот гормонов щитовидной железы при
низких температурах ускоряется. Показано, что включение
131
J в тироксин протекает более быстро и полно у животных, в течение 2 месяцев акклиматизировавшихся к действию холода, по сравнению
с контрольными.
В целом эти данные означают, что при холодовой адаптации гипер-
секреция гормонов щитовидной железы сочетается с нормальной концентрацией гормонов в крови, потому что потребление этих гормонов
тканями значительно увеличено.
Положение об увеличенном потреблении тироксина тканями
адаптирующихся или адаптированных к холоду животных приобретает особое значение в связи с данными о влиянии этого гормона на
систему митохондрий.
Известно, что тироксин в значительных дозах вызывает разобщение окисления и фосфорилирования, дефицит АТФ. Известно также,
что длительный гипертиреоз приводит у животных к значительному
увеличению активности основных митохондриальных ферментов на
202
единицу массы ткани, т. е., по существу, к увеличению мощности ми
тохондриального окисления, которое в той или иной мере компенсирует нарушение фосфорилирования. У гипотиреоидных и тиреоидэктомированных животных активность цитохромоксидазы и других
митохондриальных ферментов, наоборот, значительно снижена.
Показано, что в дозах, близких к физиологическим, тиреоидные
гормоны обладают анаболическим эффектом. Последний выражается в повышении концентрации РНК в тканях и увеличении включения меченых аминокислот в белок. Далее было установлено, что
увеличение основного обмена, вызванное физиологическими дозами
тироксина, сопровождается повышением активности основных митохондриальных ферментов и может быть предотвращено ингибитором синтеза РНК – актиномицином. Таким образом, этот гормон
щитовидной железы непосредственно или опосредованно может
действовать как индуктор, активирующий на генетическом уровне
синтез митохондриальных ферментов.
Изложенное свидетельствует о том, что в условиях долговременной адаптации к холоду сохранение функций организма и увеличенное образование тепла оказываются возможными благодаря увеличению мощности системы митохондрий на единицу массы ткани. При
этом увеличение мощности митохондрий развивается вслед за периодом дефицита макроэргов; рост этих органелл объясняется активацией биосинтеза соответствующих нуклеиновых кислот и белков.
Увеличение количества митохондрий и снижение степени сопряжения окисления и фосфорилирования в них имеет ряд следствий
на регуляторном уровне. Одно из этих следствий состоит в увеличении метаболического калоригенного эффекта катехоламинов.
Так, у адаптированных к холоду животных закономерно повышаются метаболический и сердечно-сосудистый эффекты норадреналина. Показано, что калоригенная реакция крыс на НА прямо зависит от длительности пребывания их в условиях холода и находится
в обратной зависимости от выраженности сократительной реакции
мышц на холод.
Повышение чувствительности тканей к НА при адаптации к холоду свидетельствует о переходе организма на более экономный путь
регуляции вместо постоянного выделения больших доз норадреналина, способных обеспечить высокий уровень активности органовмишеней, развивается более экономное использование одной и той
же дозы этого вещества.
Очевидно, что увеличение количества митохондрий и уменьшение степени сопряжения окисления и фосфорилирования в них происходит при долговременной адаптации к холоду в самых различных
органах, вместе с тем сдвиг этот имеет определенную локализацию.
-
203
Существенную роль в повышении теплопродукции адаптирован-
ного организма на холоде приобретают скелетные мышцы. Установлено, что хотя у адаптированных животных сократительная мышеч
ная активность повышается на холоде в меньшей степени, чем у неадаптированных, тем не менее у адаптированных животных она
четко коррелирует с повышением теплопродукции. Таким образом,
и при адаптации к холоду мышечная активность является важнейшим источником теплообразования. Обнаружена тесная корреляционная связь между повышением потребления кислорода организмом
в целом и электрической активностью мышц у адаптированных жи
вотных на холоде.
В соответствии с увеличением мышечной теплопродукции на холоде у адаптированных животных найден комплекс структурных изменений в мышцах, обеспечивающий ускоренный транспорт кислорода. Так, обнаружено увеличение содержания миоглобина и повышение числа капилляров в мышечной ткани. Найдено, кроме того,
увеличение числа митохондрий преимущественно в красных мышечных волокнах у разных животных: мышей, крыс, голубей.
Вместе с тем в результате уменьшения степени сопряжения окисления с фосфорилированием у адаптированных к холоду животных
и людей КПД мышечного сокращения закономерно снижается, а это
значит, что относительно большая доля химической энергии переходит при этом не в механическую энергию, а в тепло. В итоге мышцы являются важным источником несократительного термогенеза.
Увеличение преобразования энергии в скелетной мышечной ткани при адаптации к холоду не сопровождается общей гипертрофией
этой ткани. Напротив, у успешно адаптированных животных диаметр мышечных волокон оказывается даже уменьшенным, а масса
отдельных волокон составляет лишь 66–75% массы волокон таких
же мышц неадаптированных животных.
Таким образом, структурный след адаптации к холоду в мышечной ткани представлен лишь избирательной гипертрофией систем
энергообеспечения и транспорта кислорода. В результате метаболическая активность, а следовательно, и способность к теплопродукции
единицы массы мышечной ткани в адаптированном организме существенно возрастает, что является оптимальным вариантом соотношения клеточных структур в процессе долговременной адаптации
к данному фактору.
В целом увеличение мощности системы митохондрий и транс
порта кислорода в мышцах составляет важный компонент системного структурного следа при адаптации к холоду.
Другим компонентом этого системного следа и важным участником несократительного термогенеза является бурая жировая ткань
-
-
-
204
как специфический орган такой теплопродукции и единственный
орган, главная функция которого состоит в активации термогенеза.
Эта ткань найдена лишь у гомойотермных животных и локализована
в межлопаточной области, в подмышечной впадине, в параспинальных областях, грудной и брюшной полостях.
За короткое время теплопродукция в БЖТ может возрасти во
много раз. Обнаружено существенное увеличение массы БЖТ и теплопродукции в ней при адаптации к холоду у крыс. Прямые доказательства роли этой ткани в адаптации к холоду были получены после удаления БЖТ. Наблюдалось снижение холодовой устойчивости.
С влиянием на эту ткань связывают и феномен повышения устойчивости к холоду, развивающегося у животных под влиянием уменьшения продолжительности светлого периода суток.
При действии холода на адаптированных и, в меньшей степени,
на неадаптированных крыс в БЖТ возрастает интенсивность кровотока, что способствует согреванию спинного мозга, сердца и других
жизненно важных органов верхней половины тела. Это обеспечивается своеобразной локализацией части БЖТ в межлопаточной области. Полученные недавно патологоанатомические и биохимические
данные свидетельствуют о том, что БЖТ участвует в адаптации к холоду и у людей. Посмертно определяя у дорожных рабочих северной
Финляндии наличие БЖТ в «стратегических» участках – вокруг шейной артерии, авторы отметили, что эта ткань более выражена у умерших в феврале, чем у умерших в августе. У обследованных в БЖТ были обнаружены признаки повышения ферментативной активности
аэробного окислительного метаболизма. Эти признаки отсутствовали во всех контрольных образцах ткани, взятых у людей, работавших
в помещениях.
Как уже было отмечено, хроническое введение норадреналина
и тироксина животным вызывает повышение их толерантности к холоду. В частности, было показано, что хроническое введение норадреналина и тироксина крысам способствует не только повышению
устойчивости к холоду, но и увеличению калоригенных эффектов
НА, а также гипертрофии БЖТ. При этом масса БЖТ возрастает пропорционально повышению устойчивости к холоду.
Оборот норадреналина в БЖТ уже при остром действии холода
возрастает в 4–12 раз, в то время как в миокарде он увеличивается
лишь в 2 раза. При удалении БЖТ калоригенный эффект НА существенно снижается, причем у крыс, адаптированных к холоду, это
снижение выражено гораздо больше, чем у неадаптированных.
Регуляторное обеспечение БЖТ и активация липолиза, разумеется, реализуются не только катехоламинами. Было показано, что
205
у грызунов адаптация к холоду вызывает повышение секреции в поджелудочной железе гормона глюкагона и снижение секреции инсулина, причем в результате адаптации калоригенный эффект глюкагона возрастает. Это адаптивное снижение секреции анаболического гормона должно способствовать большей мобилизации жирных
кислот, так как инсулин угнетает липолиз.
Весьма существенно, что регуляторные факторы, обеспечивающие при адаптации к холоду увеличение массы и физиологической
эффективности БЖТ, реализуют свой эффект прежде всего через активацию синтеза нуклеиновых кислот и белков. Так, показано, что
при адаптации к холоду или введении животным норадреналина
в клетках этой ткани, в частности в митохондриях, увеличивается соотношение РНК/ДНК и возникает активация синтеза белка, растет
число и уменьшаются размеры преадипоцитов и бурых адипоцитов,
повышается васкуляризация, увеличивается активность цитохромоксидазы и других митохондриальных ферментов. На изолированных
из БЖТ адипоцитах при этом показано повышение теплопродукции,
что говорит о повышении активности окислительных реакций в расчете на клетку.
В БЖТ повышен также оборот фосфатидилинозитола и на 35%
увеличено содержание фосфолипидов, что свидетельствует об относительном повышении массы мембранных структур и активации
транспортных процессов в клетках данной ткани.
Одной из важных метаболических особенностей бурой жировой
ткани является высокая скорость синтеза в ней жирных кислот. Показано, что при адаптации к холоду эта скорость в 3,5 раза превышает показатели, характерные для контрольных животных, и в 13,3
раза – показатели животных, адаптированных к теплу. Одним из
важных следствий такой активации синтеза липидов в БЖТ является повышение концентрации свободных жирных кислот в плазме
крови и в мышцах, а также ускорение их окисления.
Повышение освобождения неэстерифицированных жирных кислот при адаптации к холоду имеет принципиальное значение, так как
именно эти соединения являются наиболее мощными из известных
разобщителей дыхания и фосфорилирования. Роль жирных кислот
как основного фактора, определяющего развитие адаптации, состоит в том, что они являются не только регулятором путей превращения энергии при окислении, но и основным субстратом этого окисления при действии холода. Для терморегуляторного увеличения теплопродукции достаточно активировать липолиз и тем самым
поднять концентрацию жирных кислот в БЖТ, а также в мышцах.
Кроме прямого разобщающего действия, жирные кислоты способны
активировать карнитин-ацилтрансферазы, обеспечивающие транс-
206
порт жирных кислот внутрь клетки. Проникая в клетки, жирные кислоты стимулируют процессы окисления жирных Ко-А-ацилов в дыхательной цепи митохондрий, что происходит с большой скоростью
и сопровождается значительным тепловым эффектом.
Таким образом, истинным разобщителем дыхания и фосфорилирования при длительном действии холода являются свободные жирные кислоты. Причем новые митохондрии, появляющиеся в мышцах
и БЖТ при адаптации к холоду, обладают повышенной чувствительностью к разобщителям, а чувствительность к ним имеющихся митохондрий также повышается.
Итогом всех этих изменений является хорошо известный сдвиг –
возбуждение адренергической регуляции, вызванное холодом, которое приводит у адаптированных животных и людей к большему увеличению потребления кислорода, чем у неадаптированных. Этому
соответствуют и высокие функциональные показатели внешнего
дыхания у эскимосов, более высокое количество фетального гемоглобина у новорожденных детей Заполярья, а также ускоренное возрастное развитие легочной ткани у адаптирующихся к холоду морских свинок.
Понятно, что такое значительное повышение интенсивности
окислительных процессов дает адаптированному организму возможность осуществлять ресинтез АТФ в количествах, достаточных для
обеспечения жизненно важных функций и активного поведения. В то
же время это обеспечивает теплопродукцию, достаточную для сохранения температурного гомеостаза. Данное явление делает излишним
ряд реакций, необходимых и характерных для срочного этапа адаптации к холоду. Так, роль мышечных сокращений в реакциях на
острое действие холода у адаптированного организма соответственно
падает. При изучении динамики мышечной активности при адаптации к холоду было показано, что она повышается лишь в начальный
период адаптации, но уже к четвертой неделе холодового воздействия
не отличается от показателей животных, содержащихся в тепле.
Показано далее, что у людей, постоянно живущих в холодных
районах земного шара (эскимосов, арктических индейцев), холодовое сужение сосудов кожи выражено меньше, а холодовая вазодилатация развивается чаще и начинается раньше, чем у не адаптированных к холоду людей. В результате при охлаждении конечностей
у адаптированных людей температура кожи снижается в меньшей
степени, чем у неадаптированных, и уменьшается вероятность об
морожений.
Таким образом, формирование системного структурного следа
и прежде всего увеличение мощности системы митохондрий и систем, транспортирующих к ним субстраты и кислород, устраняет
-
207
многие неэкономные, несовершенные проявления раннего этапа
срочной адаптации.
Вместе с тем стабильное увеличение окислительных процессов
требует повышенного поступления в организм адаптированных животных субстратов окисления с пищей и может сопровождаться при
интенсивном действии холода уменьшением массы тела. Существует и обратная зависимость. Так, при ограничении приема пищи
у крыс, адаптирующихся к холоду, уменьшается гипертрофия БЖТ и
в меньшей степени повышается устойчивость к холоду. И, напротив,
введение в рацион животных «кока-колы» или глюкозы в условиях
содержания при обычной комфортной температуре среды, способствуя увеличению количества поступающей в организм химической
энергии пищи, приводит к развитию признаков адаптации к холоду,
у животных увеличиваются масса межлопаточного бурого жира, число клеток в этой ткани, количество триглицеридов и активность цитохромоксидазы в БЖТ. Эти изменения сочетаются со значительным
повышением у животных устойчивости к холоду, несмотря на то, что
ранее они не были адаптированы к этому фактору.
В целом изложенное позволяет выделить в архитектуре системного структурного следа, составляющего основу адаптации к холоду,
несколько неразрывно связанных между собой регуляторных исполнительных звеньев. Такими звеньями являются: гиперфункция и по-
следующая гипертрофия надпочечников и щитовидной железы; индуцированный гормонами этих желез адаптационный рост массы и мощности системы митохондрий в мышцах и бурой жировой ткани,
которая гипертрофируется; наконец, увеличение массы и физиологической эффективности всех звеньев системы, ответственной за
транспорт к митохондриям кислорода и субстратов окисления.
13.2.3. Цена адаптации к холоду.
Отрицательные перекрестные эффекты этой адаптации
Развитие долговременной адаптации к холоду и формирование
системного структурного следа, составляющего основу такой адаптации, состояние фактически всех систем организма и, как следствие,
его реакция на другие факторы среды реализуются перекрестной
адаптацией, которая может проявляться как снижением резистентности организма к определенным факторам среды (отрицательная
перекрестная адаптация), так и, напротив, повышением резистентности (положительная перекрестная адаптация).
Снижение устойчивости организма к определенным факторам среды чаще всего реализуется у людей и животных при адаптации к не-
208
прерывному действию холода и находится в коренной связи с самим
существом этой чрезмерно напряженной адаптации, не лимитированной своевременными поведенческими реакциями избавления.
Так, наличие при адаптации к непрерывному действию холода
выраженного разобщения между окислением и фосфорилированием
по логике вещей должно при прочих равных условиях снизить экономичность использования кислорода и резистентность организма
к гипоксии. Действительно, показано, что длительное непрерывное
действие холода делает крыс менее устойчивыми к острой гипоксии.
Поступление в организм адаптирующихся к холоду животных избытка пищи, активация у них адренергической регуляции, липолиза
и синтеза жирных кислот могут создать предпосылку для ускоренного развития атеросклероза. У 98 мужчин 24–50 лет, зимовавших
в Антарктике, обнаружили в их крови повышение более чем на 60%
концентрации холестерина, сохранявшееся все 11 месяцев пребывания в экстремальных условиях. Эти изменения сочетались со снижением концентрации фосфолипидов, что в целом представляет собой фактор риска развития атеросклероза.
У людей, мигрировавших на Север, отмечается появление сердечно-сосудистых заболеваний, нарастание изменений биохимических
показателей крови и повышение проницаемости сосудов.
При анализе комплекса изменений, развивающихся при адаптации животных к постоянному действию холода, показано, что в течение нескольких месяцев у крыс могут развиваться липоидоз коронарных сосудов, фиброз миокарда, гломерулонефрит, узелковый
периартериит, а также могут наблюдаться нарушения функции воспроизведения. Таким образом, адаптация к непрерывному, эволюционно не предусмотренному действию холода может оказаться
фактором, потенцирующим развитие атеросклероза.
Такая адаптация, как показано выше, сопровождается стационарным повышением функций САС, ГГНС и щитовидной железы, т. е.
комплексом изменений, которые в принципе могут играть роль
в развитии гипертонии.
Очевидно, что эти отрицательные результаты адаптации к чрезмерному по длительности, постоянному действию холода характеризуют цену этой адаптации для организма. В определенных ситуациях цена адаптации к холоду может приобретать еще большую выраженность, в частности в повреждающем действии адаптации на
структуры организма.
Причиной нарушения проницаемости лизосомальных мембран
при действии холода может быть развитие свободнорадикального
окисления липидов, приводящее к образованию гидроперекисей жирных кислот. Одновременно в микросомах печени это образование
209
способствует существенному уменьшению активности мембранносвязанных монооксигеназ и уменьшению содержания в микросомах
активности цитохромов Р-450. Именно микросомальные монооксигеназы отвечают за метаболическую трансформацию ксенобионтов –
лекарств и токсинов, попавших в организм.
Установлено, что параллельно накоплению продуктов ПОЛ при
действии холода растет и антиоксидантная активность, в частности
увеличивается концентрация в тканях токоферола, участвующего
в детоксикации свободных радикалов и гидроперекисей. Явление
это носит транзиторный характер: говорит о повышении на начальном этапе потребности в токофероле и истощении его резервов в печени на терминальных этапах. Кроме того, в печени снижается на
45% количество восстановленного глутатиона, что может влиять на
активность основных ферментов антиперекисной защиты – глутатионпероксидазы и глутатион-8-трансферазы.
Указанные явления могут способствовать нарушению функций
печени и развитию патологических процессов, лежащих в основе
срыва адаптации. Вообще печень при адаптации к непрерывному
действию холода является тем органом, в котором развивается определенная функциональная несостоятельность, которая характеризуется снижением эффективности дезинтоксикации в печени.
Таким образом, при напряженной долговременной адаптации
к другим факторам увеличение массы структур и физиологической
эффективности системы, доминирующей в процессе адаптации, сопровождается прямой атрофией и снижением функциональных возможностей других систем.
Таким образом, структурная цена адаптации при непрерывном
действии холода, когда выключены естественные реакции избегания
этого фактора, проявляется по меньшей мере в трех формах.
1. Образование выраженного системного структурного следа
адаптации в виде гипертрофии САС, щитовидной железы и основных исполнительных структур: системы митохондрий в мышцах, бурой жировой ткани, всех звеньев транспорта кислорода.
2. Увеличение функции и массы описанной выше системы, доминирующей в процессе адаптации, сопряжено с атрофией печени
и снижением ее дезинтоксикационной функции, явлениями редукции структур других систем и, как следствие, с явлениями отрицательной перекрестной адаптации.
3. Напряженная адаптация к холоду характеризуется тем, что формирование системного структурного следа в одних органах может
сопровождаться прямыми структурными повреждениями в других
органах.
210
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]