Трансмембранний розподіл електролітів в тканинах головного мозку і скелетному м'язі щурів під дією гострої гіпоксії гіпоксії

Висока чутливість головного мозку до кисневого голо­дання відома давно, проте механізми порушень його діяль­ності при недостатку кисню багато в чому залишаються невивченими. Проблема підвищення стійкості мозку до кисневого голода­нию має первинне значення зважаючи на особливу чутливість мозку до недоліку кисню. Різні відділи мозку страждають від гіпоксії в неоднаковій мірі. Існує точка зору, що кора мозку навіть у нормальному стані знаходиться на межі кисневої недостатності [467], тоді як довгастий мозок відрізняється вищою стійкістю до недостатку кисню. Вказані відмінності обумовлені філогене­тичною послідовністю розвитку, специфікою метаболіз­му і функцій окремих структур центральної нервової системи.

Відомо, що гіпоксія впливає на проникність клітинних мембран, змінюючи співвідношення іонів зовні і усередині клітин. Зважаючи на важливу роль клітинних мембран в змінних і транспортних функціях клітини і великого значення іонної взаємодії клітин з довкіллям для їх функціональної діяльності, вивчення трансмембранного розподілу електролітів в мозку і інших тканинах організму представляє особливий інтерес.

Дослідження особливостей розподілу електролітів в різних відділах головного мозку і скелетному м'язі при підйомі щурів-самців на «висоту» 6 тис м н. в. м. показало, що різні відділи мозку неоднаково реагують на зменшення парціального тиску кисню у вдихуваному повітрі (мал. 40). Так, якщо в корі великих півкуль загальний вміст обох електролітів зростав унаслідок посиленого накопичення їх в клітинах, осо­бливо Nа (+63%), то в інших відділах мозку воно зменшувалося із-за втрати здатності клітин утримувати лужні елементи, причому рівень внутріклітинного Nа+ у них знижувався значно більше, ніж рівень калія. Найрізкіше концентрація Nа+ зменшувалася в довгастому мозку (—40%) і підкірці (—53%) разом з підвищенням його позаклітинного вмісту, що свідчить про перехід іонів Nа з клітин в позаклітинне середовище. Трансмембранний градієнт Nа_е/К₁ у корі великих півкуль зменшувався на 38%, тоді як в нижніх відділах мозку він зростав, особливо в довгастому мозку (+91%) і в підкірці (+314%). Співвідношення концентрацій калія по обидві сторони клітинної мембрани істотно не змінювалося, за винятком підкіркової області і мозочка, де воно зменшувалося відповідно на 16 і 9%

У м'язовій тканині (стегновий м'яз) співвідношення Nа/Мg знижувалося в результаті переміщення іонів Nа з позаклітинного у внутріклітинний простір. Вміст калія в скелетному м'язі під дією гіпоксії зменшувався за рахунок інтенсивної втрати іонів К, головним чином з позаклітинного середовища, що обумовлює підвищення трансмембранного градієнта К/К

У міру розрідження атмосфери (підйом на «висоту» 9 тис. м) в корі великих півкуль наставали протилежні зрушення в співвідношенні іонів між зовнішньо- і внутріклітинним середовищем. Вміст іонів Nа і К зменшувалося унаслідок посиленого виведення їх як з клітин, так і з позаклітинного простору. У інших відділах мозку (підкірка, стовбурова частина, довгастий мозок) воно зростало унаслідок посиленої затримки їх усередині клітинних елементів (мал. 41). Втрата іонів Nа клітинами кори великих півкуль обумовлювала підвищення співвідношення Nас/ Nа - на 27%. Калієвий градієнт істотно не відрізнявся від контролю зважаючи на одночасний вихід іонів з зовнішньо- і внутріклітинного середовища. У підкірці і довгастому мозку трансмембранний градієнт знижувався, на відміну від підвищення, що спостерігалося під дією висотної гіпоксії при «підйомі» на 6 тис. м, а співвідношення К,/К_г в цих відділах мозку збільшувалося завдяки накоп­иченню калія усередині клітини.

У м'язовій тканині загальний вміст обох електролітів при підйомі на «висоту» 9 тис. м н. в. м. зменшувалося в результаті зниження зовнішньо- і внутріклітинної концентрації калія і зовнішньоклітинної концентрації натрію. Співвідношення Nа/]Мg різко знижувалося, а К/Ке зростало.

З приведених даних видно, що різні відділи мозку неоднотипно реагують на недостачу кисню у вдихуваному повітрі, що, мабуть, обумовлено різним рівнем метаболи­чної активності і неоднаковою чутливістю окремих структур до кисневого голодування. Характер і інтенсивність про­явления зрушень в співвідношенні електролітів між зовнішньо- і внутриішньоклітинним середовищем залежить від міри кисневого дефіциту При оцінці впливу гострого недостатку кисню на трансмемб­ранний розподіл електролітів в різних відділах мозку слід мати на увазі, що мозок реагує на нестачау кисню посиленою функціональною активністю, що обумовлює підвищену витрату макроергічних сполук. Зниження активності окислювального процесу веде до порушення ресинтезу АТФ — джерела енергії для катіонних насосів, що забезпечують транспорт іонів через клітинні мемб­рани. Продукти розпадуАТФ, так само як і обмеження транспорту електронів по дихальному ланцюгу під дією гострої гіпоксії, повинні сприяти перемиканню обміну на гліколітичний шлях звільнення енергії. Підсилення гліколізу при екстремальних діях слугує початковою реакцією енергоутворення в мозку [401]. Активація гліколиізу в мозку при гострій гіпоксії наголошувалася багатьма дослідниками і розглядається як своєрідне повернення обміну до більш древньому філогенетичному рівню («повернення функції») [256].

Про зниження окислювальних процесів і переважання відновних реакцій свідчить накопичення молочної і піровиноградної кислот із значним збільшенням співвідношення лактат/піруват. Синтез молочної кислоти і фосфатів, як відомо, стимулюється іонами Nа і К. Підвищення концентрації лактату в клітинах мозку і в екстрацеллюлярої рідині спостерігали Мак-Міллан і соавт. [565] при зниженні Ро артериаль­ной крові до 50 мм рт. ст. Інтенсифікація анаеробного гліколиізу є одним з механізмів адаптивної реакції на нестачау кисню як незрілої нервової тканини, так і зрілого мозку . У ранньому онтогенезі всі ви­ди ссавців володіють високою резистентністю до дефіциту кисню у зв'язку з низькою потребою в енергії, що забезпечується гліколітичними процесами. Неоднакове вживання кисню різними структурами мозку, що досягають різного рівня активності у філо- і онтогенезі, вочевидь, обумовлено особливостями структури і функції нейтронів, їх філо- і онтогенетичною зрілістю.

Зменшення внутріклітинного рН унаслідок зрушення окисно-відновної рівноваги у напрямі більшої відновності сприяє зниженню редокс-потенціалу клітини, що робить істотний вплив на транс­мембранний розподіл електролітів. На можливість електро­нейтрального обміну іонів Na і К на іони Н, надлишок яких генерується клітиною в умовах гіпоксії, вказують, що такий обмін попереджає набрякання мітохондрій і сприяє зв'язаному вступу в них аніонних метаболітів. Залежність катіонного обміну від рН відмічена і іншими дослідниками. Зниження редокс-потенціалу клітин під дією гострого дефіциту кисню сприяє гіперполяризації клітинної мембрани і пониженню збудливості клітини, забезпечуючи таким чином утримання ка­лію усередині клітини.

Зрушення в співвідношенні електролітів між клітинами і зовнішньоклітинним середовищем при гострій гіпоксії можуть бути обумовлені і ак­тивацією пентозофосфатного шляху окислення (ПФП) як більш древньої філогене­тичного шляху економного окислення вуглеводів. Включення ПФП, енергетично найефективнішого для синтезу АТФ в умовах гіпоксії, доставляє відновлені форми НАДФ-Н2 і знижує редокс-потенциал клітини, що приводить до накопичення внутріклітинного калія.

Зв'язок ПФП з енерготворними механізмами клітини шляхом прямого використання НАДФ-Н2 субклітинними частками або через трансгідрогепазні ферменти, наприклад НАД-Н/НАД-Ф-оксидоредуктаза, бере участь в звільненні нейромедіаторів 1501], в поповненні пулу вуглеводів за рахунок Г-6-Ф, в синтезі РНК і жирів, так само як і в регуляції активного транспорту калія і підтримці оптимального рівня глутатіона, вказує на важ­ливу роль пентозного циклу у формуванні стійкості клітини до нестачі кисню. Ефективність цього шляху окислення вуглеводів залежить лише від клітинного запасу НАДФ. Пентозо-фосфатний шлях економічний, оскільки не пов'язаний з активністю ферментів аеробного i анаеробного гліколізу. Зрештою рівень реполяризації клітини, а отже і величина співвідношення K/K при функціонуванні ПФП визначається мірою накопичення в клітинах відновленого НАДФ-Н2 [197].

Важливе місце в пристосувальних реакціях до гіпоксії займає симпато-адреналова система і нерозривно пов'язана з нею гіпоталамо-гіпофізарно-надниркова система. Залежно від характеру метаболізму, властивого тій або іншій структурі мозку, катехоламіни в одних випадках діють гіперполяризуюче, сприяючи накопиченню іонів К в клітинах, в дру­гих — надають збуджуючий ефект, деполяризуючи клітинну мембрану. Мембранна дія катехоламінів на активність нейронів опосередкує через активацію фосфорилази-Р-кінази, або пригніченням карбоангідрази При стимуляції фосфорилази активується пентозний цикл окис­ления, що приводить до накопичення НАДФ-Н2 і С02 — основних чинників зниження редокс-потенціалу клітини. Оскільки вуглекислота може утворюватися як в ПФП, так і в циклі Кребса, в регуляції міри поляризації клітини велику роль грає карбоангідраза (КАГ). Пригнічення активності карбоангідрази веде до швидкої дифузії С02 з клітини, викликаючи її деполяриза­цию і зниження градієнта К, -/Ке. Накопичення С02 усередині клітини підвищує її поляризацію, збільшуючи трансмембранний градієнт калія. Таким чином, проникнення К+ в клітину пов'язане із зниженням внутріклітинного редокс-потенциала [198, 461, 543]. При цьому клітина, разом з підвищенням співвідношення К,/К, збагачується електронами і молекулами водню.

Окислювально-відновний потенціал клітини бере участь в регуляції трансмембранного співвідношення натрію по обидві сторони клітинної мембрани. Затримка виведення електронів на шляху окислювального фосфорилювання супроводжується утриманням Na+ в клітині, сприяючи деполяризації клітинної мембрани (Nae/Na знижується) і збудженню клітини.

Важлива роль в процесі збудження клітини належить ацетилхоліну, що деполяризує клітинні мембрани [198]. На відміну від катехоламінів він протидіє синтезу АМФ — ак­тиватора фосфорилази, надаючи гальмівну дію на фосфорилазну активність. Ацетілхолін пригнічує активність ПФП шляхом з’єднання мембранних SH-групп і підвищення внутріклітинного редокс-потенціалу [198]. Це приводить до втрати іонів калія клітинами і деполяризації цитоплазматичної мембрани за рахунок зменшення трансмембранного співвідношення калія KJKe-. Механізм, за допомогою якого ацетілхолін послаблює здатність клітини утримувати калій, неясний, проте факт втрати калія нервовими і м’язевими клітинами під впливом ацетілхоліну безперечний [543].

Збільшуючи проникність клітинних мембран шляхом блоку­вання SH-груп, ацетілхолін сприяє звільненню таких нейромедіаторів і модуляторів нервової системи, як катехоламіни, серотонін, гістамін та інші [198]. Вплив ацетілхоліну на іонний баланс клітини здійснюється шляхом звільнення калія, пов'язаного з білками [5431, а також за рахунок деполяризації клітинних мембран, що сприяє переміщенню електролітів між зовнішньо- і внутріклітинним середовищем.

Енергозабезпечення транспорту іонів є одній з основних функцій метаболізму нервової тканини [211, 330, 448, 611, 643, 674]. Дія натрій-калієвого насоса, включаючи і його енергетичне забезпечення, може бути чинником, лімітуючим адаптацію до стресових дій довкілля.

Аналізуючи отримані результати, можна побачити, що різні відділи мозку по-різному реагують на гостру дію гіпоксії. Так, якщо в корі великих півкуль підйом на «ви­соту» 6 тис. м приводив до накопичення обох електролітів (особливо Na+) в клітинах, то в інших відділах (підкірка, стовбурова частина, мозочок, довгастий мозок) здатність клітин утримувати лужні елементи знижувалася. Посилене накопичення Na+ і К+ в клітинах кори головного мозку після дії гострої гіпоксії може бути результатом включення механізмів, направлених на інтенсифікацію змінних процесів з метою нормалізації біо­енергетичних і біосинтетичних процесів в клітині. У той же час зниження концентрації обох електролітів в клітинах інших відділів мозку, можливо, настає унаслідок їх перерозподілу залежно від специфіки метаболізму і функціональної значущості окремих утворень.

Послаблення здатності клітин кори мозку утримувати лужні елементи в умовах різкішого розрідження атмосфери (підйом на «висоту» 9 тис. м) разом з посиленням накопичення Na+ і К+ в інших відділах мозку свідчить про те, що настільки значне відхилення Ро2 вже не може компенсуватися адап­тивними механізмами, регулюючими розподіл електролиітів зовні і усередині клітин. Схожість змін в підкіркових утвореннях мозку, можливо, відображає загальну неспецифічну ре­акцию нейронів на дію надзвичайного подразника, якою є гостра гіпоксична гіпоксія при рівні парціального тиску 48 мм рт. ст., рівному тиску пари води в альвеоляр­ном повітрі. Подібні зміни спостерігалися нами при введенні гормонів наднирників [206, 207].

Підвищення внутріклітинного вмісту лужних елемен­тів в корі великих півкуль під дією розрідженої атмос­фери на «висоті» 6 тис. м, тобто при Р = 75 мм рт. ст. може бути обумовлена впливом катехоламінів в результаті активації симпато-адреналової системи. Багатьма дослідниками показано, що адреналін є одним з обов'язкових початкових активаторів адаптаційних реакцій організму. Оскільки реакцію на гіпоксію в більшій або меншій мірі залучаються всі досліджувані структури мозку, можна вважати, що спостережувані зміни в трансмембранному розподілі електролітів є наслідком дії гіпоксії на нервові елементи, зокрема на іонну проникність клітинних мембран і діяльність транспортних ферментативних механіз­мів, що забезпечують підтримку оптимального рівня іонної асиметрії.