Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Гликолитические депо в органах тюленей

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Гликолитические депо в органах тюленей"

На правах рукописи

ФЕДОРОВА ЛЮДМИЛА ИВАНОВНА

ГЛИКОЛИТИЧЕСКИЕ ДЕПО В ОРГАНАХ ТЮЛЕНЕЙ

03.00.13 - физиология человека и животных

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Норг-г.;5ирск - 1995

Работа выполнена в лаборатории биологии ластонс; их Лимнологического института СО РАН г. Иркутска.

Научный руководитель: доктор медицинских наук, профессор К. А. Шошенко

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

М. П.Мошкин

кандидат медицинских наук Т.А. Филатова

Ведущее учреждение: Санкт-Петербургский государственный

часов на заседании Специализированного совета К-001.14.01 при Институте физиологии СО РАМН по адресу: 630114 Новосибирск, ул.Тимакова 4.

С диссертацией можно оэьасомиться в библиотеке Института физиологии СО РАМН.

университет. Институт физиологии

Защита диссертации состоится

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного

совета

к.б.н.

1. Введение

1.1.Актуальность темы. Морские или водные млекопитающие, вторично перешедшие к водному образу жизни, способны проводить под водой длительное время благодаря приобретенным в процессе эволюции приспособительным механизмам, к которым относятся: способность запасать кислород в тканях, повышенная устойчивость к высоким концентрациям лактата, возникающим в период гипоксии, выраженные сосудистые реакции, приводящие к межорганному перераспределению кровотока,возможное торможение метаболизма во время ныряния (Галанцев, 1977 ; Хочачка, Семеро, 1988).

Исследования байкальской нерпы, посвященные оценке запасов кислорода в ее организме (Петров, Шошенко, 1987) и скорости потребления ею кислорода во время ныряния (Баранов Е.А. и др., 1986; Баранов Е.А, 1989), показали, что повышенные запасы кислорода в организме этого тюленя по сравнению с наземными млекопитающими еще не объясняют его способности проводить под водой большие периоды времени. Судя по расчетам исследователей, длительность пребывания под водой байкальской нерпы в 1,5 - 2 раза превышает время возможной фазы аэробного метаболизма.

Известно, что универсальным способом получения энергии в бескислородных условиях у высших позвоночных является анаэробный гликолиз. Он развивается и в организме ныряющих млекопитающих, у которых еще Р. 51ю1алс1ег (1940) обнаружил повышенные концентрации лактата (конечного продукта анаэробного гликолиза) в крови в процессе восстановления после ныряния. Однако до сих пор не установлено, какие органы поставляют этот лактат, хотя роль скелетных мышц здесь несомненна (Хочачка, Сомеро 1988). Остается неизвестным, какова концентрация углеводов в различных органах ныряющих млекопитающих, какова доля их потребления при анаэробном гликолизе во время ныряния и сколь быстро происходит их восстановление. Возможно, что не весь накопившийся в тканях лактат поступает при восстановлении кровотока после ныряния в кровь и переносится в печень и почки, где служит субстратом глюконеогенеза (Ньюс-холм, Старт, 1977; Кендыш, 1985). Накопившийся в скелетных мышцах лактат может служить субстратом для синтеза гликогена непосредственно в мьтцах (Голник, Германсен, 1982).

- г -

Для выяснения степени участия анаэробного гликолиза в нырятельной энергетике тюленей предпринято настоящее исследование. Объектом его является байкальский тюлень (или нерпа) Phoca sibirica - единственный представитель ныряющих млекопитающих на Байкале и отличный ныряльщик. Углеводный обмен байкальской нерпы ранее не изучался. Углеводные депо в органах морских млекопитающих также не исследованы.

1.2. Цель и задачи исследований. Цель - оценка длительности бескислородной фазы ныряния тюленя ( на примере байкальской нерпы), обеспеченной анаэробным гликолизом; выявление органного своеобразия использования и восстановления углеводных запасов при нырянии. Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Определить запасы углеводов (гликогена и глюкозы) в органах байкальских тюленей - взрослых и щенков, а также в органах взрослых особей каспийских Phoca caspica) и камчатских (Phoca vltullna larga) тюленей для сравнения этих запасов: у морских млекопитающих разного возраста и вида и между морскими и наземными млекопитающими.

2. Оценить: а) ту долю углеводных запасов в органах, которая используется при нырянии разной длительности: б) количества образовавшихся при этом лактата и пируватз; в» скорость восстановления этих запгср? после ныря«мя 'опыты на щенках байкальского тюленя t.

3. В опытах с ныряниями описать динамику регуляции углеводного си юна, используя такие показатели как концентрация инсулина, в крови и циклических нуклеотидов в крови и органах.

1.3. Новизна полученных данных. Впервые определены концентрация и общие количества гликогена, глюкозы, лактата и пирувата в основных органах трех видов тюленей (байкальского, каспийского и камчатского).

Впервые для млекопитающих показана внутриорганная динамика названных субстратов и метаболитов углеводного обмена при ныряниях разной длительности и в первые минуты восстановления после длительного ныряния (данные для щенков байкальского тюленя».

Впервые произведена оценка возможной длительности бескислородной фазы ныряния тюленей (на примере байкальского), обеспеченная анаэробным гликолизом и гликогенолизом.

Впервые определена концентрация циклических нуклеотидов в органах морского млекопитающего (байкальского тюленя) и показана их динамика при нырянии разной длительности и восстановлении.

1.4. Теоретическая и практическая важность полученных данных. Полученные данные углубляют наши представления об органных возможностях анаэробного гликолиза и, прежде всего, гликогенолиза как источника энергии при гипоксических состояниях. Они показывают направленность природных адаптивных процессов, обеспечивающих устойчивость морских млекопитающих к длительной нырятельной гипоксии. Последнее обстоятельство может быть использовано в прикладных областях физиологии и медицины, связанных с состоянием гипоксии.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзном совещании "Кислородный режим организма, работоспособность. утомление при напряженной мышечной деятельности. "(Вильнюс, 1987); на 2-ой Всесоюзной конференции "Система микроциркуляции и гемокоагуляции в экстремальных условиях. "(Фрунзе, 1990); на Международном симпозиуме "Байкал -природная лаборатория для исследования изменений окружающей среды и климата" (Иркутск, 1994); на 2-ой Верещагинской конференции (Иркутск, 1995).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Работа изложена на 93 страницах текста, содержит 14 таблиц и один р'.'сунс". список рисуемой литературы г/тл^о? Юи ра^ет. "? которых иностранных источники?

Матер1.'? пн и ".отоцн исследования.

В качестве окспернмсктгльных животных использовались 1,5-2-!!еср.ч1!ыс щенки байкальской нерпы и взрослые байкальские нерпы (Рпоса sibirica), взрослые каспийские нерпы (Phoca cas-pica), и взрослые особи тюленя обыкновенного, дальневосточной ларги (Phoca vltulina larga). Сбор материала по байкальским нерпам производился во время планового отлова этих животных на Байкале - в апреле-мае щенков и в октябре-ноябре взрослых. Отлов каспийского тюленя производился на восточном побережье Каспийского моря в октябре, дальневосточной ларги на камчатс-

- 4 -

ком побережье в июле-августе 1988 г.

Опыты с ныряниями проводились только на щенках байкальской нерпы, которые после отлова доставлялись в экспедиционную лабораторию в с. Байкальское. Произвольные и принудительные ныряния осуществляли в углублении льда озера размером 70*50 см и глубиной 50 см. Длительность ныряния регулировали сеткой, которую погружали в воду и тем самым препятствовали преждевременному выныриванию животного.

В экспериментах с принудительным нырянием, проведенных совместно с Е.А.Барановым и Н.А.Малкиной, животное, привязанное к станку в положении на животе, погружали на заданное время в ванну с водой. До, во время и после такого погружения кровь для последующего анализа получали из иглы, вставленной в постдиафрагмальный синус, образованный слиянием двух нижних полых вен.

Пробы органов и тканей сразу после отбора обрабатывали жидким азотом и сохраняли в замороженном состоянии до анализа при - 20° С. Период от забора проб до их замораживания был всегда одинаковым, экспериментально было установлено, что содержание определяемых метаболитов за этот период существенно не менялось.

Кровь отбирали в пробирки с притертыми пробками, стенки пробирок были смочены гепарином для предотвращения свертывания крови. Пробы крови сохраняли на льду до анализа, время хранения не превышало сутки.

В отобранных пробах органов и тканей и в крови определяли энергетически значимые субстраты углеводного обмена: гликоген орциновым методом по Хорейши, глюкозу клиническим орто-толудиновым методом, а также молочную кислоту (лактат), как конечный продукт анаэробного гликолиза, энзиматическим методом по прописям фирмы Берингер, и пировиноградную кислоту унифицированным методом Умбрайта. В опытах с принудительным и произвольно-принудительным нырянием в сердце, скелетных мышцах, печени, головном мозгу и легких определяли также концентрацию циклических нуклеотидов (цАМФ и цГМФ) изотопным методом с помощью стандартных наборов фирмы "АтегБЬат".

В опытах с принудительным нырянием в крови,взятой из венозного синуса, определяли напряжение кислорода и углекислого газа (исследования Е. А. Баранова) на газоанализаторе ЯабеШББ

0Р-2Ю, • циклические нуклеотиды, гликоген, глюкозу, лактат, пируват вышеуказанными методами, а также инсулин радиоиммунным методом и холестерин и триглицериды унифицированным клиническим методом на приборе "С11п1соп". Следует отметить, что кровь, отобранная из венозного синуса, в условиях избирательного сужения сосудов во время ныряния отражает изменения в содержании определяемых метаболитов, происходящие в периферических органах.

Для всех определяемых показателей в работе приводятся средняя арифметическая (М), среднее квадратичное отклонение (&). ошибка средней (м) и число проб (п). От каждого исследуемого животного брали по одной пробе из каждого органа и от каждой из трех мышц - ременной, длиннейшей спины и диафрагмы. Достоверность различия оценивалась по критерию Стыодента для малочисленных неравных выборок.

Основные результаты исследований.

Характеристика энергетических углеводных депо тюленей. В доступной литературе существуют только отдельные сведения по концентрации глюкозы и гликогена в некоторых органах и тканях ныряющих млекопитающих, в том числе и тюленей. В таблице 1 представлены данные относительно концентрации углеводов в практически всех основных органах и тканях взрослых исследованных нами видов тюленей, а также щенков байкальской нерпы. Суммарная средняя концентрация гликогена и глюкозы у всех трех исследованных нами видов взрослых тюленей находится в пределах 20-70 мйоль глюкозы на кг сырой ткани (4-13 мг/г). Доля гликогена в общей сумме углеводов составляет 30-80%, в большинстве органов 2/3 и более. К органам с наибольшей концентрацией углеводов у всех трех видов относится печень, далее у байкальского и каспийского тюленя следуют сердце и легкие. Более высокую концентрацию углеводов в скелетных мышцах камчатской ларги по сравнению с байкальским и каспийским тюленем следует отнести к межвидовым различиям. Самая низкая концентрация глюкозы и гликогена у исследуемых видов тюленей обнаружена в мозгу по сравнению с другими органа.™, это касается и щенков байкальской нерчы, находящихся на молочном вскармливании, хотя концентрация углеводов в их органах и

Таблица 1

Концентрация гликогена и глюкозы (верхняя строка ммоль глвкозы/кг сырого веса) и только гликогена, нижняя -строка,X), в органах тюленей, М+м (п).

Орган

Байкальский щенки взрослые 15+1,5кг 52+4,2кг

Каспийский 46+3,1кг

Обыкновенный 118+4,7 кг

Печень Миокард Легкие Почки

Надпочечники

Головной мозг

Кишечник

Мышцы: ременная

диафрагма

длиннейшая спины

Кровь ар-териаль

над

79+12* 53+6,6 69+12

(9) (6) (6) 72+4,7~ 50±6,1 27+5,8» 64+6,1 43+4,4 42+5,1

(10) (4) (5) 78+4,8~ 56+12 37+4.6 51+8,5 43+4,7 32+6,6

(7) (2) (6)

83+2,2 82+2,0 61+6,9 48+6,3 36+8,1 29+3,4

(И) (3) (6)

81+3,7« 50+5,9 60+3,7 42+6,2 34+11 20+3,4

(9) (4) (6) 86+2,9 78+5,4 70+6,5 42+4,3 28+3,2 29+3.3

(10) (5) (4) 91+2.8* 73+5.5 80+6,9 74+8,9* 30+4,2 21+4,2

(4) (4) (4)

82+3,5- 70+6,4 68+10

69+6,6* 30+2,2 27+5,2

(10) (5)

86+4,4- 60+10 .80+8,6

55+8,2 29+2,2 29+3.5

~ (10) (4)

85+2,7- 49+3,8 52+7,9

46+3,9* 28+1,7 39+12

(9) (5)

82+2,8- 65+9,2 78+7,4

23+4,1 4,1+0,32 (8)

89+2. 5_I 80±6.7

79 42

2312,9*

54±9,5 21

68 21

38

35+3,3

68±7 29

72

(1) (3) (1) (1) (2) (1)

55

(6) (1)

61

28+5,6

(6) (2)

68±8

46±4,6

(5) (3)

44+6,0

(7)

Примечание. Показаномежвидовое и возрастное отличие органов в сравнении со взрослой байкальской нерпой: * - суммарной концентрации углеводов и доли гликогена в ней, — концентрации гликогена, р^О, 05.

тканях заметно выше, чем у взрослых (от 40 до 80 ммоль глюкозы/кг) . К возрастным особенностям следует отнести и более высокий процент гликогена в общей сумме углеводов у щенков. Порядок расположения органов относительно концентрации в них углеводов такой же, как и у взрослых, и самая низкая их концентрация обнаружена в головном мозгу, но следует отметить, что содержание углеводов в головном мозгу тюленей значительно выше, чем у наземных млекопитающих, у которых она составляет 0,4 - 0,7 мг/г сырого веса, в то время как у щенков байкальской нерпы - 7,6 мг/г, а у взрослых тюленей -5,2 мг/г, что сравнимо с литературными данными относительно тюленя Уэддел-ла, щенков и взрослых (Кегет еЪ а1., 1973). В миокарде тюленей концентрация углеводов также в 2-3 раза выше, чем у наземных млекопитающих согласно данным последних авторов и полученных нами.

Что касается межорганного распределения гликогена и глюкозы (таблица 2), то основная масса углеводов у исследованных нами тюленей сосредоточена в скелетных мышцах вследствие их большой относительной массы. Существенного различия в межорганном распределении углеводов у трех исследованных видов нет, а если оно и существует, то, как правило, связано не с концентрацией углеводов в органе, а с разной относительной массой органов у разных видов тюленей.

Метаболиты углеводного обмена. Материалы таблицы 3 показывают, что средний уровень молочной кислоты у всех трех исследованных видов тюленей находится в пределах 7-55 мколь/кг сырой массы, будучи выше в скелетных мышцах и миокарде и наиболее низкой в легких и печени. У щенков уровень лахтата выше, чем у взрослых.

Средняя концентрация пировиноградной кислоты в органах тюленей находится в пределах 0,5-5,0 мМоль/кг сырой массы; она выше в мышечных органах, почках, надпочечниках и ниже всего в головном мозгу, среди исследованных нами видов тюленей концентрация пирувата меньше в органах каспийского тюленя и наиболее высока у ларги. У щенков она ниже, чем у взрослых.

Среднее молярное соотношение лактата к пирувату в органах тюленей находится в пределах 3-44. Низкие величины наблюдаются в крови, легких, печени, почках, надпочечниках, высокие в мышцах, миокарде, головном мозгу. У щенков это отноше-

Таблица 2

Межорганное распределение гликогена с глюкозой (и только гликогена) у тюленей (согласно данным таблицы 1)

Орган

щенки 20 кг мМ глюкозы Доля.:

Скелетные

мышцы

Печень

Головной

мозг

Легкие

Пищеварите льный тракт Сердце

Почки с надпочечниками Всего

Гликоген+глюкоза (только гликоген). мМоль глюкозы

Байкальский

203.9 (169,9) 26,9 19,3) 6.7 (6,1! 13,3 (11.0) 25,2 (20,6) 6,4 (5,0) 2,9 (2,3)

285,3 235,8)

71.7

(72,6) 9.4 (8.2) 2,3 (2,6) 4.6

(4.7) 8.8

(8.8) 2,2

(2.1) 1,0 (1.0)

100 (100)

взрослые ьи кг мм глюкозы Доля,

301,0 (190,6) 45,0

(22.5) 4,2

(3,8) 25,8 (21.1) 16,5

(11.6) 15.0 (8,4)

5,4 (2.7)

412,9 (260,8)

72,9 (73,1) 10,9 (8,6) 1.0 (1,5) 6,3 (8.1) 4.0 (4.5) 3,6 (3,2) 1,3 ' (1.0)

100 (100)

Каспийский__

взрослые. 50" кг" мМ глюкозы Доля,%

402.5 (316,6)

107,0 (28,8) 4.4

(3.5) 24,0

(14,6) 36,8 (25,0) 10,5 (3.9) 4,4

(2.6)

589.6 (395,0)

68,4 (80,1) 18,1 (7,3) 0.7 (0.9) 4,1 (3,7) 6,2 (6,3) 1.8 (1.0) 0.7 (0,7)

100 (100)

Камчатский

взрослые, 120 кг мМ глюкозы Доля, %

1646,6 (817,7) 341,3 (143,3) 10,4 (7,5) 30,2 (20, 6)

16,6 8,9 15,8 (6.3)

2060,9 (1004,3)

80

(81.4) 16.6 (14.3) 0,5 (0,7) 1.4 (2.1)

0.8 (0,6)

100 (100)

Примечание. При расчетах: относительная масса органов у щенков и взрослых байкальского, каспийского и камчатского тюленей принята соответственно равной, %: скелетных мышц 19, 21, 23, 28; печени 1.7, 1.7, 3.1, 3.6; головного мозга 0.8, 0.3, 0.3, 0.3; легких 1.3, 1.2, 1.5, 1.2; пищеварительного тракта 1.7, 1.1, 3.5, -; сердца 0.5, 0.7, 0.5, 0.6; почек с надпочечниками 0.3, 0.3, 0.3, 0.6 .

I

со

I

Таблица 3

Концентрация в органах тюленей молочной (верхняя строка, слева) и пировиноградной (нижняя строка, слева) кислот, мМоль/кг сырой массы и их отношение (справа), М+м (п)

Мышцы

длиннейшая

спины

диафрагма Мчгтард

Надпочечники Печень

Байкальский тюлень

щенк!'

42+5.8 2.1+1,26»

55112 2.3±0. 42

41±9,1 1,9±0,25* 40+3.1 9 рГп'40»

з'

1,0±0,11 42+11 1.2+0, 27 11+1,4 8* 1,5+0,16* 11+2,1 2,8+0,57 7,3+1,52 1,8+0, 22 6,6+1,0 2,3+0,43 2,7+0,84 1,0+0,34

25+7.3 <9>

28+5.2 (10)

26+7,2 (9)

4-/1 1 (8)" 18+2,7 (8) 33+9,1

(4) 8.1+1,35

(93 4,8±1,10

(9) 4, 0±0, 78 (8) 3,0+1,35 (6) 2,2+0,4

(5)

зэрэслж

48+5,2 3,5+0,55

43±1,9 2,3+0,34

41+4,2 4 7-Ч 7 41+4! 6 4,2+0, 87 18+1,0 1.1+0,22 13+1.6 2,4+0,64 11+2,3 3,1+0, 52 11+3,8 3.0+0,35 8,1±1, 20 4,4+1,10 14+7,5 2,0±0,45 3.8 0,60

14+9.0 (5)

21+3,8 (5)

11+6,8 I 4 I

14+6,6

(4) 19+3,3

(5) 6,8+1,6 (4)

4.0+1,58

(3) З.бИ.Ю

(4)

2.6+0, 87

(6) 6,1+2,34

(2) 6,2 (1)

Каспийский ту-лонь взрослые

43+8,9 3,8+0,64

43+3,2 3,1+0,40

4012.8 2,2+0, 45 40+2,3 2, 3+0,50 20+2,8 0,5+0,01 19+1.9 1,6+0,22 2146,2 2,310,64 18+2,0 2, 4±0,36 171-4.9 1,7+0,26* 7,2+0.89 1.710,34 8,8+0,33 7,7±0,97

12+3,2

(4)

15+2,3

(5)

23+4,3 16) 19+3,3

(5) 44+12,1

(4)

9, 312,54 (5)

1112,7

(8) 8,311,26

(5) 12+4.7

(б5

5. 411.27

(6) 1,310,44

(7)

Тюлень О^мхи^т-'Н-ный, взрослые

33+6,1 9,3+2,79 4,0+0.88 (3}

53 11

3110,0 3,0Ю, 45 22+8,3 3,0+0,68 24 2,5

17 12

1411,1 , 0±2, 5 7,6 6,0 6,1 2,6

4,9

(1)

10И.Э (2^ 7,4+2.37

(35

9,3 (1)

13 (1) ,9+2.20 (2)

1.3 (1)

2.4 (1)

Примечание. Показано межвидовое и возрастное различие со взрослым байкальским тюленем.

ние выше, чем у взрослых, у каспийских - выше, чем у байкальских и ларги.

Углеводы в органах байкальской нерпы при нырянии. Опыты с ныряниями проводились на 1,5 - 2 - месячных щенках байкальской нерпы. Согласно расчетам (Петров, Шошенко, 1987) 5-минутное ныряние протекает у байкальских щенков в аэробных условиях, когда энергетические запросы клеток могут быть обеспечены окислительными процессами с участием запасенного в организме кислорода, более длительное ныряние должно сопровождаться анаэробной энергетикой.

На рисунках 1 и 2 приведены данные о концентрации углеводов и метаболитов углеводного обмена в органах щенков к концу длительного и короткого ныряния и на 3-ей минуте восстановительного периода после длительного 15-минутного ныряния. Сравнивая средние данные контрольных животных и животных, участвующих в опытах с нырянием можно видеть, что при коротком нырянии концентрация углеводов снижается в 5 из десяти исследованных органов, при длительном - в восьми.

Обращает на себя внимание падение доли гликогена в суммарной концентрации его с глюкозой, более выраженное при коротком нырянии (достоверно в мышцах, миокарде и крови).

Концентрация лактата при коротком и особенно при длительном нырянии увеличивается и, как правило, остается повышенной в первые две минуты восстановления после ныряния. При длительном нырянии мы находим повышенный уровень лактата во всех, кроме кишечника, органах; в шести из них, где изменения концентрации лактата достоверны, средний уровень увеличивается в 1,5-3 раза. Достоверных изменений пирувата при нырянии не обнаружено.

В таблице 4 приведены рассчитанные количества исходных и конечных продуктов анаэробного гликолиза во время ныряния в организме щенков байкальской нерпы. При этом учитывалась масса органов и концентрация в них углеводов.

Расчеты показывают, что при длительном, максимальном для щенков данной возрастной группы нырянии расходуется 14% всех запасов углеводов. Расход гликогена несколько больше, чем глюкозы - тратится во время длительного ныряния 18 % всех запасов гликогена, и доля его в общей сумме углеводов после ныряния составляет 792 в отличие от 83% до ныряния.

123456789 10 11

8 9 10 11

Рис.1. Изменение суммарной концентрации углеводов и доли в ней гликогена в органах (мышцы: 1 - длиннейшая спины, 2 - ременная, 3 - диафрагма; 4 - миокард; 5 - головной мозг; 6 - тонкий кишечник; 7 - почки; 8 - надпочечники; 9 - печень; 10 - легкие; 11 - кровь) щенков байкальской нерпы при нырянии на 4 II), 17 (II) нин и через 2 мин после 15-минутного ныряния (III). Отмечены (*) достоверные различия при р«. 0,05.

- 'Л -

% 1 23456789 10 И 400 т--

01 ВII

аш

10 и

350

2. Изменения концентрации лактата и отношения молярных концентраций лактат/гаруват в органах (мышцы: 1 - длиннейшая спины, 2 - ременная, 3 - диафрагма; 4 - миокард; 5 - головной мозг; 6 - тонкий кишечник; 7 - почки; 8 - надпочечники; 9 -печень; 10 - легкие; И - кровь) щенков байкальско нерпы при нырянии на 4 (I), 17 (II) мин и через 2 мин после 15-минутного ныряния.Отмечены(♦)достоверные различия при р* 0,05.

Таблица 4

Содержание угле водов в органах 20-килограммовой байкальской нерпы до, в конце ныряния на 17 мин и через 2 мин после ныряния

Орган | Гликоген+глшоза Молочная

(гликоген) (пировиноградная)

мМоль глюкозы/орган кислота, мМоль/орган

ц о ныряния в конце после до ныряния в конце после

Скелетные 203,9 190,0 187.5 176.0 250,8 202,7

мышцы (169,9) (153,3) (153,7) (8,2) (7,6) (8.6)

Печень 26,9 20,8 22,8 2,5 5,8 3.4

(19,3) (14.1) (15,3) (0.6) (0.5) (0.6)

Головной 6.7 7,2 6.2 2,7 4,3 4.2

мозг (6,1) (6.6) (6.0) (0.16) (0,24) (0.27)

Легкие 13,3 12,3 11.2 1,7 6.2 4.4

(11.0) (10.3) (9,1) (0.6) (0.6) (0.6)

Пищеваритель - 25,2 15,0 - 14,3 13,6 -

ный тракт (20,6) (11,2) - (0.4) (0,4) -

Сердце 6,4 4.3 5.9 4.0 5.2 4,2

(5.0) (3.7) (5.0) (0.2) (0,2) (0.2)

Почки с над- 2.9 2.2 2.5 0,7 1.2 1,1

почечниками (2,3) (1.7) (2.1) (0.1) (0.1) (0,1)

Кровь 82,8 61,2 108,0 9,7 15,8 19,4

(72,9) (45,9) (95,0) (3,6) (5,4) (9,7)

Всего в ор- 368,1 313,0 - 211.6 302,9 -

ганах и в (307.1) (246, 8) (13,9) (15,1)

крови

Без пищева-

рительного 342,8 298,0 344,1 197.3 289,3 239.4

тракта (286,5) (235,6) (286,2) (13. 5) (14,7) (22,3)

По сравнению -55.1 +91,3

с исходным (-60,3) (+1,2)

содержанием

Без пищева- -44,8 +1.3 +92,0 +42.1

рительного (-50,9) (-0.3) (+1,2) (+6,1)

тракта 1 1

- 14 -

Следует заметать, что значительная часть углеводов, расходуемая во время ныряния, поставляется стенкой тонкого кишечника (таблица 4).

Всего во время длительного ныряния тратится 44 мМоль углеводов (глюкозы или глюкозильных остатков, если речь идет о гликогене) и образуется около 88 мИолей молочной кислоты. Следовательно, во время ныряния используемые в качестве источника энергии углеводы утилизируются анаэробным способом: из одной молекулы глюкозы при гликолизе образуется две молекулы молочной кислоты. В результате распада 44 мМоль глюкозы до молочной кислоты образуется 2068-2079 кал свободной энергии. В условиях внешнего дыхания щенки байкальской нерпы потребляют в покое и голодном состоянии не менее 8 мл кислорода (кг/мин. Баранов Е.А., 1987), при массе тела 20 кг - 120 мл кислорода в минуту или (при калорической ценности кис порода 5 кал/мл) 600 кал/мин. Если уровень онергстнчссгон потребности живстнсго не меняется, при нырянии, то полученный расход угле-всдсс может обеспечить жизнедеятельность животного не более, чем на £ мин.. Прибавив к ним длительность аэробной фазы (около 10 мин, Петров, Шошенко, 1987), мы получим максимальное время длительности ныряния щенков, если потребление энергии у животных не изменяется при нырянии.

Характеристикой адаптации органов к условиям гипоксии на клеточном уровне служат также изменения в концентрации циклических нуклеотидов в органах-щенков байкальской нерпы при нырянии. В исследованных органах (таблица 5) уровни циклического АМФ и циклического ГМФ различаются между собой также, как у других животных, примерно в 100 раз. Средний уровень цАМФ в исследованных нами органах, кроме легких, где он значительно ниже, находится в пределах 1000-1890 пМоль/г. При коротком нырянии, во время которого расходуется запасенный в организме кислород, этот уровень возрастает на 10 -30 %, а при длительном нырянии, происходящим с анаэробной фазой, на 28 - 50 %. На 3-ей минуте восстановления после длительного ныряния цАМФ остается повышенной по сравнению с донырятельным уровнем.

Примечательно, что донырятельный уровень циклических нуклеотидов в органах щенков байкальской нерпы достаточно высок: в количественном отношении он близок к тем величинам, которые наблюдаются в миокарде человека, больного тетрадой

Таблица 5

Циклические нуклеотиды в органах щенков еайказьской нерпы при нырянии (пМсль/г),М+м (п)

Орган До ныряния Ныряние 3-я минута после ныряния на 15 мин

5+1,5 мин 19 + 1,7 мин

цАЩ> цГМ! цАШ/цГМ! ЦАМЗ> ЦГМО ЦАМ1/ЦГШ цАМ® цГШ цАШ/ЦГМГ ЦАМ1 цГШ цАКИ/цГШ

Головной мозг 1286+382 17+5,7 82122 С6) (8) (6) 1373+346 10+3,3 199+89 (5) (5) (5) 18381614 15+3.8 133+34 (6) (5) (5) 939+236 1314,6 88+12 (4) (3) (3)

Сердце 12131172 3,7±0,55 4941139 (V) (7) (6) 1432+526 6,2+1,7 398+197 (4) (4) (4) 1528+180 13+4,2 222175 (8) (8) (8) 1563+211 2,6+0,2 610+22 (4) (5) • (4)

Легкие 334+97 24±7,7 1313,3 (9) (7) (7) 8521318 1812,2 45+10* (4) (4) (3) 984+351 42±5,3 31+10 (7) (7) (7) 484+114 34+5,2 1613,9 (5) (5) (5)

Печень 1002+170 44+9,0 24+4.8 (9) (9) (9) 1320+300 40+15,5 73+28* (5) (5) (5) 1507+181 80+27 35+11 (7) (7) (7) 1793+357* 37+7,6 60+20* (5) (5) (5)

Скелетные мышцы 1274+191 26+4,5 75+16 (7) (7) (7) 1360+362 28112 72+20 (5) (5) (5) 1344+316 60+16* 42+11 (7) (7) (7) 1681+217 25+11 118+34 (?) (?) (7)

Примечание, п - число проб. У каждой нерпы забиралось по одной пробе из каждого органа, в том числе из двух мышц - ременной и длиннейшей спины, для которых использовалась одна средняя величина. Приведено рзэличие с донырятельнш уровнем для уровня значимости р^0,05.

Фалло- 1881 пМоль/г цАМФ и 10,4 пМоль/г цГМФ (Архипова и др., 1989). После коррекции порока содержание цАМФ снижается до нормы - 732 пМоль/г, а цГМФ повышается до 23 пМоль/г. В исследованных органах щенков байкальской нерпы при коротком аэробном нырянии мы наблюдаем повышение уровня цАМФ и понижение цГМФ, а при длительном нырянии, протекающим с анаэробной фазой. снижается концентрация цАМФ и повышается концентрация цГМФ. Такие же изменения наблюдаются в миокарде человека во время коррекции порока, когда возникает дополнительная гипоксия миокарда. Установлено, что циклический ГМФ - медиатор ад-ренэргического действия, и его накопление в органе во время ныряния свидетельствует о торможении метаболизма в нем. Судя по нашим данным,в головном мозге щенков байкальской нерпы во время длительного ныряния не происходит такого торможения, так как уровень цАМФ там повышается в этот период, а уровень цГМФ остается неизменным.

Метаболиты крови при принудительном нырянии щенков байкальской нерпы. Данные рис.3 показывают изменения в содержании метаболитов, связанный с энергетикой ныряния, в венозной крови, оттекающей из задней половины тела и характеризующие процессы, происходящие в периферических органах во время ныряния. Мы наблюдаем сохранение гомеостаза глюкозы во время ныряния и посленырятельную гипергликемию, которая характерна и для других тюленей, что согласуется с пониженным инсулином. При этом наблюдается активный гликолиз, субстратом которого служит гликоген, судя по понижению его концентрации во время ныряния, о чем свидетельствуют повышение концентраций лактата и цАМФ. Уровень триглицеридов остается постоянным во время ныряния, но падает в процессе восстановления после ныряния. Происходит падение концентрации холестерина.

Во время ныряния происходит падение парциального давления кислорода, которое через 47 мин восстановления после ныряния почти возвращается к донырятельному уровню, и повышение парциального давления углекислого газа, которое продолжается и в восстановительный период. Следует заметить, что и уровень лактата остается повышенным в течение периода восстановления.

200

рС02

Глюкоза

100 / 1 / 1

7 кт 1-Л

Гликоген

Лактат

1* Пируват

цАМФ

Инсулин

Рис.3 Изменения состава крови задней полой вены у щенков байкальской нерпы при принудительном нырянии на 13 мин, % от исходного уровня, М+гп. Точки в каждой группе слева направо: до ныряния, последние 5 мин ныряния, через 47 мин после ныряния.

- 18 -

ВЫВОДЫ

1. Концентрации углеводов (гликоген+глюкоэа) в скелетных мышцах, печени, сердце, легких, почках, надпочечниках и в пищеварительном тракте (исследовался тонкий кишечник) взрослых тюленей (байкальский, каспийский и камчатский, данные для которого единичны) различаются не более, чем в три раза; у всех тюленей она выше в печени. Доля гликогена в органной концентрации углеводов, в среднем, колеблется от 27 - 50 % (печень) до 70-80 % (надпочечники, головной мозг). Средневзвешенная концентрация углеводов в исследованных органах (их относительная масса 26-34 %) равняется, мМоль глюкозы/кг: 31 у байкальского, 37 - каспийского и 50 у камчатского тюленей. Средневзвешенная концентрация только гликогена у трех видов близка - 20-25 мМоль глюкозы/кг.

2. По сравнению с наземными млекопитающими (согласно литературным данным) средняя концентрация гликогена у тюленей в сердце в 2 - 3 раза выше, в головном мозге - выше на порядок, в скелетных мышцах такая же, как у наземных. Средневзвешенная концентрация в исследованных органах у тюленей по-видимому, несколько выше, чем у наземных млекопитающих. Однако по сравнению с ними количество углеводов, рассчитанное на единицу массы тела, у тюленей ниже из-за большой массы подкожного жира.

3. У 1,5-2-месячных щенков по сравнению со взрослыми (данные по байкальской нерпе) концентрация углеводов и доля в ней гликогена ео всех органах выше. Средневзвешенная концентрация углеводов (и доля в ней гликогена) также выше: 31 мМоль глюкозы/кг (65 %) у взрослых и 56 мМоль глюкозы/кг (82 %) у щенков (расчеты сделаны без углеводов крови).

4. В опытах с нырянием, проведенных на щенках байкальской нерпы, выявлено органное своеобразие энергетического углеводного метаболизма, обусловленное . в определенной мере, особенностями регионарного кровоснабжения и спецификой путей выведения метаболитов.

а) При нырянии,длительность которой?не превышает аэробной фазы, суммарная концентрация углеводов снижается только в легких, кишечнике и меньше в печени и скелетной мускулатуре; причем в печени и легких падает концентрация и глюкозы, и гликогена, в кишечнике и мышцах - только глюкозы. При этом

средняя концентрация гликогена в мышцах и миокарде увеличивается до двухкратной. Как правило, в органах, особенно в легких, увеличивается концентрация лактата ( исключение - кишечник, в котором она падает в два раза) и снижается концентрация пирувата. Во всех органах растет до многократного отношение их концентраций.

б) При длительном нырянии, протекающем с анаэробной фазой, углеводные запасы падают во всех органах, кроме головного мозга и надпочечников. При этом снижаются концентрации как глюкозы, так и гликогена. Наиболее резкое снижение гликогена наблюдается в миокарде. Во всех органах значительно по сравнению с коротким нырянием уволнитеа°'гг'я концентрация пччтатя ( нсключо'.у-'О - '"""счн'.'.н, где сн^. дсчырятольной) и, нес-

мотря. Н1 поеь'.^ен^е ^ирувз/^а, оастот отношение лак-

тэт

в! Концентрация углеводов в первые минуты после длительного ныряния ( по сравнению с уровнем в конце ныряния) снижается в скелетной мускулатуре, легких, головном мозге и особенно в надпочечниках и растет в печени, миокарде и почках. Концентрация лактата и , в силу этого, отношение лактат/пиру-ват во всех органах в этот период падают, оставаясь, как правило, выше исходного уровня.

5. При коротком и длительном нырянии концентрация глюкозы в крови растет, гликогена падает; падает концентрация инсулина.

6. Средняя концентрация цАМФ в органах щенков байкальской нерпы в некоторых случаях выше, чем у наземных млекопитающих, но часто бывает близка к уровню наземных, пМоль/г: в печени 1000, в скелетных мышцах 1720, з легких около 350. Концентрации цГМФ уг,л"бл»тся от 4 (сердце) до 44 (печень) "Мсль/г. Их соотношение наименьшее в легких (13), наибольшее г сердце ',491). При нырянии, особенно длительном, концентрация ц АМФ в органах растет (наиболее заметно в легких), оставаясь в восстановительный период повышенной в печени. Концентрация цГМФ увеличивается в органах при длительном нырянии.

7. При нырянии щенков, длительность которого близка к максимальной , расходуется около 15% или 20% запасенного гликогена; количество глюкозы при этом в организме увеличивается на 11% (все расчеты сделаны в молях глюкозы и с учетом угле-

водов, содержащихся в крови; их доля у щенков 20%).

8. Длительное ныряние тюленей сопровождается анаэробным гликолизом, что подтверждает прирост лактата, соответствующий расходу углеводов (количество пирувата при нырянии меняется незначительно). Для щенков байкальской нерпы массой 20 кг такой гликолиз с расходом 15% углеводов может обеспечить энергией около 4 мин бескислородного ныряния при условии, что энергетическая потребность животного сохраняется на доныря-тельном уровне (образуется 2350 калорий, расходуется 600 калорий в минуту).

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. К характеристике анаэробного энергетического обмена у ныряющих млекопитающих //Кислородный режим организма, работоспособность, утомление при напряженно'' г'ьгочне:': деятельности. Вильнюс. 1937. С. сег.^торстсо Ь. А., Щощенко К. к. >

2. мотаослнчосксй адаптации н гипоксии у тотрадо;', Фа"..".: и долгеныряющих теплокровных (нерп)//

Труды Института патологии органов кровообращения. Новосибирск. 1989. С.126-134. (в соавторстве с Архиповой Г.Ф.. Шо-шенко К. А., Старовой Т. Ю., Павловой И. П.)

3. Емкость анаэробного гликолиза в органах байкальской нерпы в экстремальных условиях // Система микроциркуляции и гемокоагуляции в экстремальных условиях. Фрунзе. 1990. С.278-279. (в соавторстве с Петровы),! Е.А., Шошенко К.А.)

4. Динамика углеводов в тканях байкальской нерпы при ныряниях разной длительности // Экология. N0 3. 1991. С.58-62. (в соавторстве с Петровым Е.А., Шошенко К. А.)

5. Состав крови щенков байкальской нерпы (РУюса бШг1-са) при принудительном нырянии // Байкал - природная лаборатория для исследования изменений окружающей среды и климата. Т.5. Иркутск. 1994. С.11-14. (в соавторстве с Барановым Е., Малкиной Н., Филимоновой Т. .Шошенко К. А.)

6. Состав крови щенков байкальской нерпы РЬоса эШг1са при принудительном нырянии // Ж.эволюц. биохимии и физиол. Т.31. N 1. 1995. С.59-63. (в соавторстве с Е.А.Барановым. Н. А. Малкиной, Т.А.Филимоновой, К.А.Шошенко)

7. Гликолитические депо тюленей // II Верещагинская конф. Иркутск. 1995. С. 215. (в соавторстве с Петровым Е. А., Шошенко К. А.)