В морфологическом плане в организме имеют в виду два типа клеток, выделяющих тепло и два типа работы, им соответствующие:

1. Сократительный термогенез;

2. Несократительный термогенез.

Все процессы и реакции, совершающие работы, представляют АТФ-азную нагрузку на окислительное фосфорилирование митохондрий. В узком смысле «сократительный тормогенез» соответствует теплоте, образующейся в контрактильном аппарате и митохондриях за счет гидролиза АТФ миозином и работы Са-АТФазы саркоплазматического ретикулюма.

Сократительный термогенез. В этом типе термогенеза «срочной» реакцией, компенсирующей теплопотери организма на холоде, является мышечная дрожь. Вопросы энергетики и эффективности мышечного сокращения длительное время изучались в лаборатории терморегуляции и биоэнергетики института физиологии РАН им. И.П. Павлова.

Исследованиями показано, что при сокращениях средней силы теплопродукция сокращения превосходит теплопродукцию покоя примерно в 30 раз. Данный расчет допускает, что окислительное фосфорилирование в митохондриях является единственным источником АТФ. При частичном разобщении фосфорилировании от дыхания и уменьшении потребления кислорода, расход энергии на выполнение того же объема работы мышцы возрастает примерно на 50%, что сопровождается увеличением как теплопродукции сокращения, так и теплопродукции покоя. Повышение теплообразования в волокне при переходе от состояния покоя к сокращению происходит одновременно за счет возрастания трех АТФ-азных нагрузок: АТФазы - миозина, Са-АТФазы - СПР и Na,К-АТФазы плазмалеммы.

Несократительный термогенез. В организме животного и человека имеется так называемый бурый жир (БЖТ), масса которого не превышает 5% массы животного (у взрослого человека не достигает и этой величины) и уступает по объему скелетным мышцам и белому жиру. Истинное значение БЖТ в общей теплопродукции может быть получено только на основе сравнения с непосредственным расходом энергии определенной тканью или органом.

Заметный вклад в общую теплопродукцию вносят почки (у них высокий расход энергии на трансмембранный противоградиентный перенос катионов). Чрезвычайно высокая интенсивность метаболизма головного мозга сочетается с ее высоким постоянством при переходе от сна к бодрствованию, а в состоянии бодрствования мало зависит от функциональной нагрузки. Только при сильной эмоциональной нагрузке энергообмен мозга увеличивается на 50-70%, но кратковременно. Кроме того, изменение энергообмена, происходящее в головном мозге при охлаждении, очень мало и неспецифично для терморегуляции. Суммарный вклад внутренних органов без БЖТ в общие расходы энергии организма составляет от 35 до 50%. Хотя этого мало, но оказывается важным при остром охлаждении. Адаптации к холоду однозначно усиливают энергообмен в печени (при длительной адаптации – в почках).

Особое место принадлежит БЖТ, однако расход энергии в нестимулированном буром жировом теле относительно мал. Понимание роли БЖТ в несократительном термогенезе стало возможным благодаря трем обстоятельствам.

1. Применение нового метода определения энергетической активности ткани. В БЖТ скорость кровотока при комнатной невысокая. У адаптированных к холоду животных (при минусовой температуре) она возрастает более чем в два раза. Доказано, что у крыс, адаптированных к холоду, возрастает прижизненное поглощение кислорода после инъекции норадреналина. Выявлено, что в БЖТ у адаптированных к гипотермиии животных активность цитохромоксидазы увеличивается в 6 раз, возрастает также активность Na, К-АТФазы.

2. Участие в термогенной ликвидации избытка колорий пищи.

3. Специфическая термогенная роль БЖТ подверждается наличием в адипоцитах особого регулируемого организма разобщения дыхания от синтеза АТФ в митохондриях. Относительно недавно в митохондриях адипоцитов БЖТ были открыты митохондриальные разобщающие белки (UCP, представитель – термогенин, наиболее хорошо изученный). Предполагают, что они являются филогенетически специализированными протеинами, с помощью которых осуществляется регулируемое разобщение процессов окисления и фосфорилирования. Эти белки принадлежат к семейству митохондриальных переносчиков и являются белками внутренней мембраны митохондрий, кодируются ядерным геномом. Термогенин (как посредник) облегчает трансмембранный транспорт перенос анионов жирных кислот. Протонированные жирные кислоты возвращаютс в нейтральной форме, перенося при этом ионы водорода. Этот этап сопровождается разобщением фосфорилирования и выделением тепла).

4. Генерируемая адипоцитами БЖТ (как и клетками других тканей) теплота является следствием термодинамического «несовершенства» физико-химических процессов перехода энергии в работу. Процесс окислительного рефосфорилирования АДФ в митохондриях со стороны внемитохондриального пространства контролируется фосфатным потенциалом, а регуляция процесса направлена на стабилизацию уровня АТФ в цитоплазме. Поэтому увеличение интенсивности дыхания, сопровождающееся добавочным теплообразованием, однозначно указывает на снижение концентрации АТФ вследствие повышенного расходования в энергопотребляющих процессах или на снижение энергетической эффективности образования АТФ в митохондриях.

Сказанное выше позволяет понять, что доминирующая причина усиления теплообразования адипоцитов находится внутри митохондрий, в окислении субстратов и фосфорилировании АДФ. Филогенетически – это, как считают, универсальное явление (в физиологическом покое адипоциты БЖТ не характеризуются высоким уровнем теплообразования).

Физиологическая стимуляция в виде холода или гиперфагии инициирует бурную, но регулируемую активацию окисления и теплообразования. Главные термогенные стимулы для адипоцитов – норадреналин и адреналин (катехоламины). Указанные катехоламины взаимодействуют с белковыми рецепторами мембраны. В матриксе митохондрий адипоцитов следует активация системы аденилатциклазы и циклического АМФ, усиление липолиза и ускорение окисления субстратов – свободных жирных кислот (биохимическая цепочка, ведущая к образованию теплоты).

Выделяющаяся при окислении субстратов свободная энергия, не имея возможности пройти через молекулярную машину АТФазы, полностью или частично начинает рассеиваться в форме теплоты.

Исследователи доказали: особенность митохондрий БЖТ в том, что для них разобщение между окислением субстратов(дыханием) и фосфорилированием АДФ является состоянием, генетически детерминированнм и всякий раз реализуется при подходящих условиях. Увеличение потока жирных кислот повышает скорость окисления в митохондриях, и, как полагают, служит сигналом для разобщения окисления от фосфорилирования. Это стимулирует усиление образования тепла митохондриями.