Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Закономерности влияния акклиматизации к холоду на систему активного транспорта катионов Na+ и К+

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Закономерности влияния акклиматизации к холоду на систему активного транспорта катионов Na+ и К+"

ЛШШГРЛДСКПП ОРДЕНА ЛЕНИНА II ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени А.А.ДДАНОВА

На правах рукописи УДК 612.015.3-064:612.592

МЕДВЕДЕВ Леонид Нэстврович.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЛИЯНИЯ АККЛИМАВДИ' К ХОЛОД? НА СИСТЕМУ АКТИВНОГО ТРАНСПОРТ«. КАТИОНОВ Яа+ И К+

03.00.13 - физиология человека и згавотннз?

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

ЛЕНИНГРАД 1988

Работа выполнена в Красноярском государственном медицинском институте

Официальные оппонентш

%доктор биологических наук, профессор ¡»1.Н.МАСЛ0ВА

доктор медицинских наук, профессор, Ю.В.ЛЛ1АЩЩН

доктор биологических наук,, профессор В.В.ВАРАБАКОВА

Ведущее научно-исследовательское учреждение -институт физиологии им. И.П.Павлова АН СССР.

Защита состоится " Я_1989 г. в /6 час

на заседании специализированного совета.Д 063.57.19 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора биологических наук при Ленинградском государственном университете им. А.А.Зданова.

Адрес: 199034, г. Ленинград, Университетская наб., 7Л

Автореферат разослан "л_" _ 1989 г.

0 диссертацией можно ознакомиться ь. Научной библиотек« им. А.М.Горького Ленинградского государственного университета рм. А.А.Жданова.

,)ченый секретарь • I. специализированного совета,

доктор Зяоюгичзских ьаук , Н.Д.Еценко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последнее время изучение адаптации человека и животных к среде обитания превратилось в серьезную медико-биологическую и социально-экономическую задачу (Хаскин, 1975; Меерсон, 1981; Лупаццин, 1984; Баженов, 1986; Иванов,1986; Б11огу, 771111з, 1983), что вызвано освоением челове-

ком природных регионов с непривычным комплексом климато-геогра-фических факторов (Казначеев и др., 1978; Бабаева и др., 1979), а также интродукцией диких л сельскохозяйственных животных в но; вуго среду обитания.

Среди" малоисследованных или даже'" остающихся неизвестными вопросов адаптации, к внешней'среде находится состояние ионного гомеостаза и функционирование катион-транспортных систем (Хайдар-лиу, 1984). По существу, это полностью относится к адаптации го-мойотермов к холоду.' Современные представления о функциях и роли ' На- и Са-насосов показывают, что сфера их. участия в энерго-масобменэ далеко не ограничивается тем АТФ, На+ , К4", Са^+, которые прямо конвертируются молекулярными машинами насосов. Многочисленность связей На -насоса с широтам кругом явлений, которые носят биологически важный характер (Болдырев, Твердислов, 1385; Орлов, 1985; Веренинов, Марахова, 1986; • СширЪеП, 1983), позволяет отнести наличие На -насоса у йундаментальному принципу функционирования клетки ( Мне' ,1984). Поэтому полноценная адаптация, по-видимому, должна быть связана с работой систем, контролирующих ионный гомеостаз.

биологическая активность животных в той зли иной мере подчинена суточным и сезонным ритмам изменения температуры _вне1вняЯ стюдн. Деятельность человека почти не ограничена этим Фактором, но организм постоянно учитывает его влияние (Слоник, 1982;, №лй-

страх, 1984; Якименко, 1984). Следовательно,изучение влияния х лода на системы активного транспорта катионов представляет впо не определенный научно-практический интерес (Катюхин, Маслова, 1984).

Цель работы. Выявить закономерности влияния акклимации к х лоду на на -насос как регулятор ионного гомеостаза и потенциальный источник теплообразования.

Основные задачи исследования.

1. При акклимации гомойотермов к холоду изучение уабаин-чув-ствительного дыхания термогенно- и ионогомеостатически ответственных органов и тканей в качестве критерия энергоемкости

На -насоса;

2. исследование активности и свойств фермента ( На++К+)-АТФа: ( На,К-АТФазы) в качестве критерия потенциальной мощности

На -насоса;

3. изучение баланса катионов На+ и К* в скелетных мышцах, бурой жировой ткани, печени;

4. изучение АТФ-гидролитической и Са-транспортной способности Са-насоса саркоплазмамческого ратикулума скелетных мышц;

5. выяснение роли эндогенного'трийодтиронина в регуляции $а. -насоса,

6. Количественная оценка мощности и энергоемкости На -насоса клеток термогенно ответственных органов и тканей в базальных условиях и после акклимации в холоду.

Научная новизна. В связи с проблемой состояния ионного гомв( отаза и термогенной роли АТФ-гидролитических процессов при теып< •ратурных адаптациях, выполнено комплексное исследование иа -насоса и внутриклеточного баланса катионов На+ и К+ при акклимащ гомойотермов к холоду.

. 1. Установлено, что периодически действующий холод изменяет содержание н баланс на* и К1" в плазме в период формирования по-

вшенной холодоустойчивости. В остальное время содержание катионов стойко сохраняется на доакклимационном уровне, что становится возможным благодаря увеличению мощности и ослаблению температурной чувствительности На-насоса почек.

2. При акклимации к холоду изменение функциональной активности и свойств Па- насоса, а также концентраций Па+ и К1" в целом тканево-специфично. Закономерно снижается мощность На- насоса и соответственно изменяется банане катионов в скелетных мышцах. Это соответствует пересгройкз управляющего звена сократительного механизма, приводящей к известному увеличении содержания в мышцах термогенво более важных медленных волокон, и дополнительно подтверждается ейкжением АТФазпой активности и Са-транспортной способности везикул саркоплазматического ретикулума. В бурой жировой ткани мощность На- насоса возрастает, что в условиях повышенной адренергической стимуляции направлено на удержание высокой концентрации К* в адипоцитах.

На основании критического анализа результатов собственных исследований и данных литературы формируется представление об общей для всех типов клеток тепловой функции На- насоса, ее значении в изменении теплообразования при температурных адапта-циях гокойотермов, а также возможных способах реализации.

3. На- насос в условиях холода обеспечивает прежде всего . главные функции клеток соответствующего типа. Поэтому он может ■ участвовать в усилении теплообразования прямым путем - при стё-хиометрическом конвертировании АТФ в трансмембранные градиенты катионов и косвенно - через влияние на другие энергоемкие АТФ-зависшшз процессы или на окислительное фосфорилирование.

4. На едином базовом принципе - одинаковости стехиометрии транспортного процесса в разных клетках в физиологических условиях , выполнен количественный анализ модности и энергоемкости

На-насоса термогенно- и ионогомеостатичеоки ответственных органов и тканей. Получена обоснованная оценка термогенного значения '."'на- насоса б качезт~Еб .стехиометричаскаго -йсточника шя усиления несократительного теплоооразования у-шили«¡{рованйш: ■«""холоду гомойотермов.

Научно-практическая цонность. Результаты исследования баланса На+ и К* и функционирования На- насоса при экспериментальной акклимации к холоду в периодическом режиме необходимы для понимания закономерностей поведения, степени напряженности работы катион-транспортных механизмов и устойчивости ионного гомеостаза клеток при адаптации гомойотермов, включая человека, к условиям внешней среды.

Представление о тепловой функции На- насоса, ее значении и возможных путях реализации при акклимации к холоду,расширяет и углубляет биологическое значение активного транспорта катионов и ионного гомеостаза клеток.

В физиологии клеточной энергетики определение теплообразую-щей способности Но- насоса, как стехиометрического конвертора АТФ, необходимо для установления структуры АТФ-гидролитических источников тепла в базальных условиях, а также при активации тер -могенеза после акклимации к холоду.

Исследование является частью общесоюзной программы "Изучение фундаментальных' механизмов развития, ликвидации и профилактики патологических процессов, лежащих в основе важнейших форм патологии человека" по обобщенной теме 1.4.1.6 "Адаптация организма к условиям высоких и низких температур". Его результаты использованы при планировании и проведении в Красноярском медицинском институте под руководством автора научно-исследовательской работы, покор государственной регистрации 80053115; при выполнении научно-исследовательской работы "Биохимическая характеристи-

ка эритроцитов разного возраста у новорожденных коренного и пришлого населения Севера" в институте медицинских проблем Севера [10 АМН СССР. Результаты работы внедрены в лекционные курсы кафедр патологической физиологии Красноярского медицинского ин-зтитута и физиологии и биохимии человека и животных Красноярского университета. На кафедре общей биологии Красноярского медицинского института при чтении лекций и проведении семинарских : занятий «пользуется предложенная автором схема уровней регуляции На-на-зоса.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсужде-ш на 5-ой и 6-ой Всесоюзной конференции по экологической физио-югни, биохимии й"морфологии (Фрунзе, 1977; Сыктывкар, 1982), на всесоюзном симпозиуме "Стресс и адаптация" (Кишинев, 1978), на 1-ом Международном симпозиуме по приполярной медицине (Новосибирск, 1978), на 4-ом и 5-ом Всесоюзном биохимическом съезде [Ленинград, 1979; Киев, 1986), на 6-ой Всесоюзной конференции по йзиологии дочек й водно-солевого обмена (Новосибирск, 1981), на шенумз Всесоюзной проблемной комиссии "Адаптация и профилакти-:а" при Научном совете по общей патологии АМН СССР (Москва, 982), на 1-ой и 2-ой Всесоюзной конференции " Важнейшие теорети-:эские и практические проблемы терморегуляции" (Новосибирск, 982; Минск, 1986), на 3-ей Всесоюзной школе "Теоретические и рактнческие проблемы терморегуляции человека и сельскохозяйст-енных животных" (Иваново, 1984), ка 16-ой конференция Федерации вропейсягх биохимических обществ (Москва, 1984), на 5-ой Всосо-зной конференции по биохимии мышц (Тбилиси, 1985), на 4-ой Все-эюзной конференции по патологии клетки (Москва, 1987).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 научных' 1бот, из них - 24 в центральной печати.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 299 страниц текста' , из них - 43 рисунка и 60 таблиц. Библиография включает 136 работ на русском языке и 287 работ на иностранных языках. Диссертация состоит из введения, главы методов исследования, 4 глав собственных результатов, главы обсуждения, заключения, выводов и списка библиографии.

Положения выносимые на защиту. 1. Акклимадая к холоду вызывает изменения свойств системы активного транспорта Иа+ и К+, связанные с особенностями участия Ка- насоса в реализации соответствующих функций клеток:

а/ активность На-насоса скелетных мышц при акклимащш к холоду понижается, что препятствует здесь его участию в усилении несократительного термогенеза, но в сочетании с уменьшением отношения внутриклеточных концентраций (f^]/[Ia+} и активности Са-насоса саркоплазматического ретикулума отвечает перестройке управляющих звеньев сократительного механизма в сторону термогэнно более важных медленных волокон;

б/ увеличение мощности На- насоса адипоцитов бурого жира направлено на стабилизацию и повышений внутриклеточного уровня К* и является ответственным процессом при реализации теплового потенциала этой ткани;

в/ в условиях постоянно повышенного холодового диуреза при длительной акклимащш к холоду происходит активация На- насоса почок й ослабляется его температурная чувствительность.

2. После длительной акклимащш к холоду работа На-насоса, как стехиометряческого источника,активирует несократительное теплообразование гэмойотерма-крысы не менее, чем на 10%,»

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В опытах использованы крысы-самцы Вистар массой около 250 г. (ксперименты выполнены в зимне-весенний и начало летнего периода ю типу возрастного контроля. Крыс акклимировали в термокамере : 0-4 °С в индивидуальных боксах, не ограничивающих подвижность, [о'6-8 часов ежедневно, 6 раз в неделю. Вне термокамеры опытныр :ивотные находились вместе с контрольными при 19-24 °С. Интен-¡ивность обмена покоя определяли по скорости утилизации кислоро-(а при 18-23 °С в проточной камере с автоматической подачей газа [Ковалевский, Ольховский, 1979). Акклимированность к холоду кон-'ролировали с помощью изопропилнорадреналина, вводимого подкожно ! дозе 3.8-4.7 мкмоль на 1 кг массы ( Janзky , 1973), а также ю температуре ядра тела на холоде.

1. Исследование системы активного транспорта На* и К*

а/ определение уабаин-чувствителъного дыхания тканей. Интен-¡ивность энергообмена тканей измеряли по поглощению кислорода ззвесью кусочков при 37 °С (Мохова, 1973). Среда, в которой до ^следования находились ткани, содержала (ммоль/л): 140.0 КаС1, 5.2 КС1 , 1.5 Мз304 , 12.0 На2НР04 (для мкпщ - 6.0); 6% дек-¡трала, рН 7.5. Скорость поглощения кислорода измеряли в среде выделения без декстрана, экзогенные субстраты окисления не вноси-га. Перед опытом среда приводилась в равновесие с воздухом. Кон-дентрацию кислорода определяли полярографически (Кондрашова и др., .973). Общую скорость эндогенного дыхания тканей рассчитывали на шнейном участке полярограммы после стабилизации процесса, не февышающей 2 минут. Поглощение кислорода, зависящее от работы Па-насоса (уабаян-чувствительное дыхание - УЧД), р-по читывал я ю разности между общим эндогенным и дыханием в присутствии

уабаина (0.5-1.0 ммоль/л). Относительная величина УЗД, выраженная в процентах, представляла энергоемкость На-насоса.

б/ определение активности Ma. К-АТФазн. Препараты плазматических мембран получали с помощью метода дифференциального центрифугирования. Выделение мембран из сердечной мышцы проводили, используя для солюбшшзации раствор NaJ с высокой ионной силой (Matsul, Schwartz , 1966). В разных вариантах опытов при получении мембран из головного мозга использовали среды с дезок-сихолатом натрия, так и без него (Глебов, Дмитриева, 1974). При получении мембран из -почек и бурой жировой ткани также применяли этот детергент (2.4 ммоль/л - конечная концентрация). Выделение плазмалеммы из скелетных мышц производили по методу Ткачука и Болдырева (Ткачук, 1977). Белые мышцы выделяли из области шеи и спины, красные - из задних конечностей.

Активность Ma ,К~АТФазы определяли на основе общепринятых рекомендаций (Транспортные аденозинтрифосфатазы ... , 1977) при 37 °С в среде, содержащей (ммоль/л): lOO.OHaCl , (для мышц -80.0), 20.0 КС1 (для мышц - 60.0), 2.0-3.0 MgCl'2 , 1.0-2.0 ЭДТА-Hag , АТФ-На2 эквимолярно содержанию MgCl2 , 30.0-60.Û трис-HCl буфер (для мышц - имидазол-HCl буфер), рН 7.4; мембраны - 6.0-70.0 мкг белка на 1 мл среды. Активность Ыа ,К-АТФазы рассчитывали по разности количества фосфата, освобождаемого в среде без уабаина и с уабаином (0.1-1.0 ммоль/л - конечная концентрация) и выражали в мкмоль Фн на 1 мг белка за 1 час. Фосфат определяли по методу Rathbun, Betlach (1969), белок т- по Lowry et ¿1.7(1951). ' *

в/ скорости потоков катионов между тканью и средой. Для определения скорости активного выхода На+ из мышц их предварительно загоукали !ia+ в течение 5-6 часов при 2-3 °0 в среде, содержащей НаС1 (140.0 ммоль/т) и КС1 (1.0 ммоль/л), pli 7.0-7.3.

„_ -------о шшлип ирйдо о глюкозой

(S.0 ммоль/л) при 37 °С. Скорость пассивной проницаемости катионов в срезах почек и мышцах оценивали при 2-3 °С в среде, содержавшей (ммоль/л): 140.0 НаС1 , 5.0 (для мышц - 0.0) КС1 , 0.5 уабаин; 6.0$ декстран, рН 7.3-7.4.

г/ определение На+ и К+. Катионы из сухих тканей (24 часа при 105 °0) экстрагировали 5 мл дистиллированной воды в течение 30 минут в кипящей водяной бане, оставляя пробы на ночь при комнатной температуре (Веренинов, Марахова, 1981). Содержание Na+ и К* определяли на пламенном фотометре "Карл Цейс Иена" модель 3 (ГДР) в воздушно-ацетиленовом или воздушно-пропановом пламени.

л

2. Исследование Са-насоса саркоплазматического ретикулума скелетных мышц

фрагментированный ретикулум получали из скелетных мышц спины и задних конечностей, а функциональные характеристики Са-насоса определяли потенциометрически по занислешш среды инкубации (Болдырев, 1977). Са^+-емкость везикул рассчитывали по сумме всего аккумулированного Са^+ о учетом примесного,количество которого устанавливали с помощью титрования ЭГТА.

3. Исследование гормональной регуляции_На-насоса

При изучении влияния трийодтиронина (Тд) на активность На ,К-АТФазы его вводили животным дважды на протяжении двух суток, разовая доза - 500.0 мкг на 100 г массы. Для изучения роли альдост'?рона в регуляции На,К-АТФазы и. На-насоса при ак-климации к холоду использовали ингибитор альдостерсна спиронолак-тон ( Edelman , 1981), который вводили животным внутргаелудочно 6 раз в неделю на протяжении 1-4 недель. Разовая доза - 200.О м?г в 0.5 м.с воды на 100 г массы животного.

4. Определение фракционное "дкскрсции •—

Функциональное состояние почек оценивали по величине диуреза, скорости клубочковой фильтрации и реабсорбции На+ после 2% водной нагрузки (Берхин, Иванов, 1972). Скорость клубочковой фильтрации рассчитывали по клиренсу эндогенного креатинина. Фракционную экскрецию 11а+ рассчитывали в виде отношения количества катионов, наделанных с мочой, к количеству, профильтровавшихся в клубочках, и выражали в процентах.

5. Количественный анализ мощности и энергоемкости

Na-насоса

Основой анализа являлось стехиометрическое соотношение между участниками транспортного процесса АТФ:К+Ла+ = 1:2:3. Тканевая структура базального несократительного термогенеза до акклимации и дополнительного после акклимации к холоду взята из данных Janaky (1973) и Poster, Frydman (1978).

6. Другие методы исслепования

Содержание Tg и Т4 определяли радиоиммунологически с помощью наборов Spac Tj , Spao . Радиоактивность проб просчитыва-

ли на радиометре IIZ -322 (ВНР). Содержание катехоламинов в тканях определяли флюориметрически в соответствии с модификацией

„ метода Осинской (Кулинский, 1964). Концентрации кальция., хлора и

ь»

креатлнина огфеделяли с помощью наборов "Биотест" (Хемапол). удержание цитохрома Р450 в печени устанавливали по методу Арча-кова и Девического (1Э74) и выражали в нмоль на 1 мг белка мик-росом.

Эксперт,юнтачьные графики min расчете кннегнчетких параметров Ла.К-А'ГФазы линеаргзовччи с ноши,.;» ЗК! Начрл-К. Коррс.ия-

ционный анализ выполнен по методу, используемому для небольшого числа наблюдений (Митропольский, 1971).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

В обзорной части работы анализируются органно-тканевая структура теплообразования, клеточные механизмы его регуляции и биохимические процессы - потенциальные источники тепла в животном организме. Наиболее существенные итоги анализа состоят в следующем. Энергетическая эффективность образования АТФ в митохондриях • и гидролиза На ,К-АТФазой при активном транспорте На+ и К+

I»

примерно одинакова. Это показывает, что различие тепловых потоков от окислительного фосфорилирования и На -насоса должно быть связано прежде всего с их неодинаковой валовой мощностью. Не существует принципиальных ограничений на участие На -насоса в регулируемом и физиологически значимом усилении теплообразования. В оценке базальной мощности На -насоса клеток термогенно ответственных тканей имеются очень большие расхождения. Информация о состоянии ионного гомеостаза и работе На -насоса при адаптации гомойотермов к холоду минимальна.

Энергообмен животных и весовые показатели межлопаточной бурой жировой ткани при акклимаши к холоду

Формирование холодоустойчивости наступало у животных к 24-26 суткам, а интенсивность обмена покоя при комнатной температуре черэз 4-20 недель возрастала на 11-19$. В период формирования холодоустойчивости рост_ животных замедлялся, но после замены срочных реакций защиты от холода более экономными, адаптационно сформированными механизмам,отставание в росте полностью компен-с'тровалось.

}получение г/ассн БКТ, которая может быть особенно взхпкм

квотой теплообразования - энергетическим буфером ( Poster , 1984), является одним из показателей активации несократительного термогенеза - НОТ ( Hedergaard, Xindberg , 1982). Поэтому закономерно, что в наших опытах в первый месяц акклимации происходило бурное увеличение массы БЖТ, продолжавшей возрастать вплоть до 28 недель акклимации, а ее сухая часть надежно коррелировала с массой тела контрольных и акюгамированных к холоду животных. Содержание 1^0 в определенной мере характеризует потенциальную мощность теплообразования этой ткани ( Suter , 1969; Liadberg , 1970). До акклимации обводненность КЕТ была обратно пропорциональна ее абсолютной влажной массе. Предельное содержание Н2О, до которого еще сохранялась такая зависимость, составляло 36%. Под влиянием акклимации к холоду обводненность существенно увеличивалась, минимально составляя около 38$. Очевидно поэтому при акклимации к холоду содержание в БЖТ не коррелировало с ее влажной масоой. Это наводит на мысль об обратной зависимости между удельным уровнем базального энергообмена БЖТ и ее массой, а в конечном счете и массой животных, что подтверждается разнообраз' ными данными (Корниенко , 1979; Вгйск, Winnenberg , 1965; Nillso Ehle, 1985). В связи с этим обращает внимание, что при росте крысы от 100 до 400 г масса сухой части БЖТ увеличивалась в 4.6 раза быстрее общего внергообмена животного. Если у животных разной массы термогенный ответ на холод прямо пропорционален массе БЖТ, то у достаточно крупных крыс усиление.НОТ должно обеспечиваться, i? основном, бурым жиром, однако этого не происходи даже у акюгамированных к холоду животных ( Foster , 1984). Следовательно, удельная интенсивность теплообразования адипоцитов сёязана с- их общим количеством (массой ), т.е. она должна координироваться с их пролиферацией.

5С -

4С-

ЗС

2№

I

10

+

!

60 :

50

40 1

30

■ ' ' ■_I I_I_I_I_I -Г

.2 .4 .6 .2 .4 .6 г

20

Рисунок 1. Зависимость между массой влажного межлопаточного бурого жира и содержанием в нем у контрольных (А) и акклимированных к холоду крыс (Б)

Обозначения: по ординате - содержание Н^О в жире, по абсциссе - масса влажного жира; уравнение корреляции для Б -

« 53.86 - 17.Щ, ( г -0.248, 0.1<Р<0.2), - содержание воды; числа при точках - длительность акклимации в неделях.

Уабаин-чувствительное дыхание тканей при акклимации к холоду

Потребление скелетными мышцами под влиянием акклимации к голоду постепенно увеличивалось, через 10-16 недель составляя 1.16.4-1^0.0$. УЧД мшц контрольных животных достигало 3.07 мкмоль О2 на 1 г за 1 минуту,- а энергоемкость На -насоса -1.2.8$. После акклимации к. холоду УЧД и энергоемкость На -насоса троявляли тенденцию к уменьшению. Это означало, что Ка -насос как трямой лиссипативннй механизм препятствовал развитию КСТ, хотя /

незначительно.

Потребление бурой жировой тканью к 16 неделе акклимации возрастало на 58.0%. и энергоемкость На -насоса,до акклима-ции составлявшие 0.055 мкмоль О2 на 1 г за 1 минуту и 13.0$ соответственно, после 16 недель акклимации били повышены на 100$ и 24$. Вследствие этого около четверти прироста общего расхода кислорода в БЖТ обеспечивалось активацией 1ЧД.

УЧД в печени контрольных животных составляло 0.15 мкмоль 0£ на 1 г за 1 минуту, энергоемкость На -насоса - 13.3%. После ак-климации к холоду эти показатели возросли соответственно на 73.3 и 33.4$. Доля дыхания, контролируемого работой На -насоса, составляла около 33.0$..

Подавляющее большинство данных свидетельствует о том, что головной мозг не принимает участия в терморегуляторных реакциях, а его энергообмен после акклимации не возрастает. В наших опытах потребление мозгом С^, У'ЧД и энергоемкость На -насоса даже после 16 недель акклимации также не изменялись. Если же в среде ин-кубаиди концентрация НаС1 уменьшалась до 50-70 ммоль/л (без замещения катиона), то скорости общего эндогенного дыхания и его уабаин-чувствительной части у акюшмированных к холоду животных становились заметно выше, а у контрольных не изменялись. Причем, повышение общего дыхания практически полностью было вызвано активацией УЧД. Это свидетельствует об изменении свойств катион-транспортной системы под влиянием акклимации к холоду в сторону создания в головном мозге резервной мощности- ¿¡а -насоса.

Исследование почки в динамике акклимации выявило несколько существенных обстоятельств. Во-первых, отчетливое повышение.потребления кислорода наступало только после стабилизации температуры ядра тела ка холоде. Это объясняет, почему иногда не обнаруживают поашания энзргообмена цочек при акклитцаи к холоду. Во-

вторых, изменение ЛД в мозговой зоне носило фазный характер, но к 16 неделе акклимации оно было повышено на 82.СУ/о, а в корковой зоне оно было повышено , уже на 4 неделе на 46.0$ и в дальнейшем оставалось на этом уровне. Таким образом, в коре и мозговой зоне после длительной акклимации к холоду не менее 70-100^ повышенного энергообмена обеспечивалось активацией УЧД.

Активность и свойства На,К-АТФазн при акклимации к холоду

Активность На ,К-АТФазы плазмалеммы мыяц шеи и спины, обогащенных белыми волокнами, у контрольных крыс составляла 7-8 мкмоль Ф.. на 1 мг белка за 1 час, а мышц задних конечностей, обогащенных красными, на 64% была меньше. После акклимации к холоду активность фермента постепенно снижалась, а различие ферментативной активности между мышцами шеи и задних конечностей сгладилось и составляло всего 24£. На протяжении сократительного цикла интенсивность работы На -насоса, как известно, непостоянна, а сниженная активность На ,К-АТФазы у анклимлрованных животных характеризовала только его усредненную потенциальную мощность. Поэтому представляет интерес тот факт, что ацетилхолин подавлял активность На,К-АТФазы у акклимированных животных более глубоко, а кажущаяся константа полумаксимального ингибировання уменьшалась почти в ДО раз; Количество волокон в скелетных мышцах при акклимаши к холоду не изменяется ( Негоих , 1958), по относительное содержание красных(медленных) и промежуточных возрастаат (Дэриба^ Филипченко,1974). Следовательно, сближение активное?;: На ,К-АТФазн между разными группами мшц, по-вчдимочту, прямо связано с трансформацией быстрых волокон в медленные и промежуточные.

Активность На ,к-АТ1>азн мембран бурого гора попло 13 т-

цель акклимации к холоду увеличивалась на 247$, а активность уабаин-резистентной Щ -АТФазы не изменялась. Усиление УЧД и увеличение активности На ,К-АТФази однозначно показали, что под воздействием акклимации к холоду мощность и энергоемкость На -насоса адипоцитов возрастают.

При исследовании На ,К-АТФазы головного мозга учитывали, что там присутствуют разные молекулярные формы фермента ( РатЪ-

гои^ , 1983), локализованные дифференцированно ( Зигеайпег, 1979). Поэтому прежде всего обратили внимание на осадок гомоге-цата ткани. В осадке гомогената после акклимации к холоду активность На,К-АТФазы и Мз -АТФазы не изменялись. После обработки дезоксихолатом в концентрации 0.05-0.5$ активность Иа Д-АТФазы значительно возрастала у всех животных, но у акклимирован-ных к холоду становилась на 22.8-43.3$ выше, чем у контрольных. Следует отметить, что в отбрасываемых супернатантах (без дезокси-холата) активность фермента, хотя была относительно невысокой, но при акклимации, начиная с 8 недели, была также существенно выше, чем у контрольных животных.

Активность На Д-АТФазы в тотально взятой почке уже через 8-9 недель акклимации.была увеличена на 21.5$, еще через месяц -на 109.5$ и в дальнейшем оставалась на атом повышенном уровне. . Акклимационная динамика ферментативной активности корковой и мозговой зон не полностью соответствовала изменению уабаин-чувстви-тельного дыхания, что объяснялось различием между потенциально

возможной мощностью . На -насоса и степенью'ее. использования, т.е.

« 1

было связано, по-вщшмому, с изменением свойств фермента и (или) условиями его функционирования в метке. Действительно, после ак-ктамацив к холоду изменялись юаданюя константы Михаэлиса и полу-иакэдмапыюгс активирования фермента катионами иа+ . Б долом же свойства и абсолютные показатели На ,К-АТ<8азь и УЧД были близки.

-1.0-

В частности, эта близость проявилась в характере изменения температурной чувствительности. Акклимация к холоду в'нзнвала уменьшение Q10 Na ,К-АТФазы корковой и мозговой зон. Ослаблению температурной чувствительности фермента хорошо отвечало уменьшение Q10 для УЗД почки. Это означает, что На -насос почки поело ак-климации к холоду действительно обладает меньшей чувствительностью к понижению температуры. Одинаковое изменение температурной чувствительности, а также прямая линейная корреляция между активностью Na ,К-АТФазы в изолированных мембранах и УВД ткани, установленная в нашей работе, свидетельствуют о том, что изменение

«I

свойств фермента удовлетворительно характеризует мощность На -насоса почки (рат:-.;.< л зруглх органов и тканей) при акклпмации животных к холоду.

Влияние охлаждения на Иа.К-АТФазу пойкилотермов

Для понимания причинно-следственных связей между активным транспортом,.энергообменом и проявлением специализированных функций было изучено влияние кратковременной акклимации к холоду на активность и свойства Na ,К-АТФазы сердца лягушек. Выбор такого объекта исследования объяснялся тем, ,что при низких температурах у акклимированных к холоду лягушек возрастает сила изометрического напряжения сердечной мышцы (Круглов, 1974), что связано с усилением мобилизации Са^. В сердце амфибий саркоплазматический ретикулум развит слабо ( Shaffer et al. , 1972), поэтому в ■ мобилизации Са^+важное место занимает внеклеточный пул катионов. ИнтенсизЖость активного транспорта Na+ так определяет концентрацию внутриклеточного Са^+, что уменьшение скорости выброса

из мкоцятов сердца амфибий приводит к повышению там концентрации Са^+ за счет внеклеточного пула (Ес:лрев, 1983).

Изучение температурной характеристики Na ,К-АТФазы пока-

Таблица 1

Влияние акклимации к холоду на температурные коэффициенты На ,К-АТФазы, общего эндогенного и уабаин-чувствительного дыхания почки

Интервал температуры °С Зона почки Температурный коэффициент ц 10 Достоверность различия между контролем и акшкшаиией

Контроль | Акклимация

(22 -42) (3? - 42) (22 - 42) (37 - 42) корковая мозговая На. К .2.43±0.15 3.58+0.31 2.15+0.16 2.02+0.12 -АТФаза 1.83±0.20 1.57+0.28 1.68+0.13 1.73±0.12 Р< 0.05 Р< 0.001 Р< 0.05 Р<0.1

(33 - 37) целая почка уабаин-чув дых 3.46±0.25 ствительное ание 1.43±0.11 Р< 0.001

(33 - 37) целая : почка общее э ДЫ 2.67±0.20 ндогенное хание 1.96+0.16 Р< 0.02

зало, что даже кратковременная акклимация к холоду вызывает в сердце- ' пойкилотерма при низких температурах подавление

активности фермента и, следовательно, На -насоса. Это вызвано, по-видимому, тем, что у пойкилотермов, зачастую не имеющих времени на выработку адаптационного сдвига в виде структурного следа,

свойства Ыа ,К-АТФазы сердца должны при температурной акюшма-

ь

ции изменяться достаточно быстро, чтоон вовремя обеспечить необходимый Физиологический ответ, в данном случае - повышение изометрического напряжения сердечной мышцы на холоде.

Бадана на* и в клетках при акклимации к холоду

УЧД, энергоемкость На -насоса и активность На Д-АТФазн характеризуют энергетическую сторону работа катион-транспортной системы. Для характеристики ионогомеостатичеокой функции на -насоса и ее связи с напряженностью энергообмена клетки необходимо представлять, как влияет акклимация к холоду на внутриклеточный баланс На+ и ■К+.

В белых скелетных мышцах у крыс до акклимации на 1 кг клеточной води содержалось {177.0+5.4) ммоль К4" и (9.97+0.91) ммоль В мышцах, обогащенных красными волокнами, концентрация К+ была

на 13.6$ меньше, а На+ - на 25.7! больше. При акклимации к холо-1 в

ду концентрация К+в белых и красных мышцах снижалась. Акклимация к холоду вызывала постепенное повышение концентрации На+ в белых мшцах до уровня катиона в красных. Различие отношения внутриклеточных концентраций |к,"]/[ Ив?] в белах и красных мыШцах при акклимация к.холоду постепенно сглаживалось, причем преимущественно за счет прогрессивного.уменьшения в белых. Такое изменение баланса катионов отвечает снижению функциональной активности На' -насоса, что дополнительно подтвердилось исследованием активного и пассивного потоков На+ в скелетных мышцах.

Особенностью гомеоотаза катионов бурого жира являлось очень высокое суммарное содержание На+ и К4' во -внутриклеточной воде при чрезвычайно низком для клеток, обладающих на -насосом, отношения внутриклеточных концентраций. Так, в одной серии опытов внутриклеточная концентрация На составляла 117.0+8.2, а 1С . (233.7+^0.7) ммоль на 1 кг при отношений ¡Кь]/|на]= 2.' В процессе акклимации к холоду концентрация На+ в клеточной воде постепенно уменьшалась, а концентрация К* на 2-ой неделе акклимации снижалась на 23$, затем возрастала, и к 18-ой нечеле ужз превосходила 'доакклпмациопни! уровень , на 25$. Особенно глубоко

И/И

24 г

к, I

1с

12

Рисунок 2. Влияние акклимации к холоду на отношение внутриклеточных концентраций [К+] /[на в скелетных мышцах

Обозначения: Б' - белые,

К - красные мышцы.

О 3 6 ' 9 недели акклимации

изменялся уровень катионов в оухой ткани. В этом случае концентрация К+, начиная с раннего этапа акклимации, испытывала тенденцию к увеличению, которое на 9-18 неделях акклимации достигло 82-90%. Такое повышение содержания К+ в сухой БИ было вызвано действительным увеличением абсолютного уровня катиона в адипоци-тах. В условиях значительного повышения обводненности адипоцитов при акклимации к холоду, представляла интерес взаимосвязь между содержанием в ткани воды и катионов. Корреляционный анализ свидетельствовал о их независимом распределении в адип$дитах до акклимации. Однако при акклимации к холоду между ниш имела место достаточно тесная положительная корреляция. В связи с предположением о значении. К* для регуляции термогенного потенциала адипоцитов об--раадет внимание обратная связь между абсолютной массой сухой части -'К! и концентрацией в ней К1'. Эта закономерность прослеживалась

180 150 120 эо; 60 30

О

й» о

180 150 120 90 60 30

Рисунок 3. Корреляционная зависимость между концентрацией К"*" в сухом меллопаточном буром жире и его массой до (А) и при акклимации к холоду (Б)

Обозначения: по ординате - концентрация К*, ммоль на 1 кг массы, по абсциссе - масса сухого межлопаточного БЖ; 1 (темные кружки) - крысы с исходно нормальной массой БЖ, 2 ( светлые кружки) - крнсн с исходно гипертрофированным БЖ; уравнения корреляции для

А1 - К+ - 89.53 - 144.50М, ( г=

А2 - К+ = 91.93 - 80.67М , ( г=

Б1 - К4" = 147.65 - 242.28М, ( г в

Б2 - К+ = 114.65 - 118.28М, ( г = М - масса сухого БЕ.

-0.507, Р< 0.02), -0.624, Р<0.1 ), -0.536, Р<0.01), -0.73&, Р< 0.001),

гакте для группы животных с доакклиматонно спонтанно гипертрофированным межлопаточным БЖ, у которых акклимацпя не влияла на зесовыо показатели БЖТ. Таким образом, изменение Енутрнклеточно-"о балатгоЗ катионов однозначно указывает на то, что длительная •ккшгацяя к холоду повышает мощность На -насоса аштпэтптпз :в~рх необходимо:! еля компенсации повышенной утечка К*".

Анализ баланса катионов :» потоков На+ в косо ч мозгов?:' зс •?д пот-.;' лолп-эг—л поед1ш:>шл<? данные о том, чтп послс 9 •■•.г:;?.

К

акклимации к холоду работа Ка -насоса активируется.

В гепатоцитах на протяжении всего периода акклимации от 2 до 17 недель концентрация, катионов не изменялась. Это показывает, что повышение мощности Ка -насоса в печени после акклимации к холоду являлось строго сбалансированным компенсаторным ответом на изменение проницаемости катионов.

Акюшмация к холоду мало влияла на содержание катионов в эритроцитах, но в плазме уровень катионов нарушался, что проявилось в примерно синхронном увеличении концентраций Ка+ и К+ в период формирования повшенной холодоустойчивости организма. Это свидетельствует о том, что функциональные возможности системы регуляции ионного гомеостаза плазмы крови в начальный период акклимации к холоду временно снижаются или еще не достигают необходимой мощности.

Влияние акклимации к холоду на Са-насос саркоплазматичеокого ретикУЛУтла скелетных мьгзц

Как известно, снижение энергетической эффективности работы мышц у акклимированных. к холоду гошйотермов приводит к повышенному выходу тепла на единичный сократительный акт, возникает в фазе расслабления мышечного волокна и вызвано, предположительно, частичным разобщением окисления от фосфорилирования (Иванов, 1972;_____

Хаскин, 1984; Якименко, 1984). Однако^при..таком-'объяснении фоно-(.'.она активации сократигвльного'тершгенеза' (ст) возникает ряд но-реиенных .вопросов. В частности, именно в фазе расслабления рабо- . тает Са-насоо саркоглазщтаческого рагикулума (СПР), янляидийся сравнительно''емко}} АТФ-уидролатичноко^ сиртемо!} ( Кив1шег1с1с ; 1983).4 Шзто,«у ;нель^я,асйлючя»ь,-- что костаккяимацяонная актива-.ншг'СТ. хотя^Йк ^часш^о 'вызвана ушньшанием эффективности работы Са-насоза 'ШЕ 'йза: на уровне интеграции функшюнально-

структурных частой сократительной ристемы.

Уже при однократном пребывании животных на холоде в течение 13 часов наметилась тенденция к уменьшению скорости аккумуляции Са2+ и к снижения Са2+-емкостп везикул СПР. Усиление холодового воздействия до 1.5 суток приводило к уменьшению активности фермента, скорости аккумуляции Са2+, снижении емкости везикул.

Таблица 2

Влияние акклимаццл к холоду на Са-насос саркоплазмати- • чеокого рзтииулума скелетных мышц

Эксперимен- тальнш группы Активность Са-АТФазы (мкмоль Фн на 1 мг белка за 1 минуту) Скорость аккумуляции Са2+ (мкмоль Са2+ на 1 мг белка за 1 минуту! Са2+/АТФ Са -емкость ретикулума (мкмоль катионов на 1 мг белка)

контрольная 2.97+0.11 3.27±0.12 1.11+0.05 4.22+0.17

охлажденная 13 часов при 0-4 °а ■ 2.80+0.09 Р< 0.2 2.82±0.08 Р ^0.05 1.07±0.01 Р >0.2 3.70+0.10 Р< 0.1

охлажденная 36 часов при ■ -9 - +2 °0 2.25±0,02 Р< 0.001 2.75^0.24 Р< 0.05 1.22±0.09 Р >0.2 3.48+0.33 Р< 0.05

акклнмиронянная 2 ноделп, 0-4 °0 2.28±0.04 Р< 0.001 2.69±0.15 Р< 0.05 1.1810,08 Р >0.2 3.70+0.10 Р< 0.05

акклгмро-ванпая 4 педели, 0-4 °0 2,33±0.06 Р< 0.001 2.5б±0Л1 Р< 0.002 1.10±0,04 Р >0.2 3.57+0.23 Р< 0.05

: Пса акк±таацзд к холоду ярсзсходадр'ноко^оо.углублопп^й^йх кз-кзнений, однако о«аоавкзо . Са^ЛАТЗ •даяялйсь. .«•ягяс.Ъ^ес---, кке свойства шли, шгезгшх раэйув: рггорой^; ао^г^э'п^г» зго^п-о -кор«.

.\\ч>т с мощностью Са-насоса СПР (Есырев, 1983; Во1апй а1, Поскольку в опытах с СПР были использованы мышцы, обога-; 1елыми волокнами, это показывает, что при акклимации к хо-; -"-¡ньшение активности Са-насоса ретикулума делает их похожи: 'м.пее важные в термогенном отношении красные.

Некоторые вопросы регуляции На -насоса и На .К-АТФазы при акклимации к холоду

,'реди нейро-эндокринных регуляторов На -насоса особо ввде-^гся норадреналин (НА) и Тд в силу их значения для активации ; мглообразования в условиях холода (Соболев, 1983; Лупандин, !.*84). В наших опытах с периодическим режимом акклимации, прибли-энным к естественному циркадному ритму функций (Слоним, 1986), держание ПА и адреналина (А) в надпочечниках и других органах ' табильно снижалось. Вкупе с соответсвующими данными это показы-»■"?т, что при акклимации к холоду организм, по возможности, избе-

■ -ч°т увеличения концентрации катехоламинов в нервных окончаниях >№ физиологического уровня, присущего данной ткани. Смысл таком ограничения может состоять в том, что после акклимации необхо-

термогешшй эффект достижим с помощью меньших запасов НА и '> (Пастухов, Хаскин, 1979; Викоу/1йсЫ. , 1984). С другой стопин, избыточная секреция катехоламинов, активируя перекисное ¡деление липпдов, нарушает функционирование мембран (Меерсон и !>., Ка83). В этой связи нельзя исключить, что именно повышенная

■ г )--п--.эрп»ческая чувствительность служит одной из причин возникно-•патологий при акклимации к холоду в жестком непрерывном ре-

( Негоих , 1970), Такое предположение; подтвердилось ре-■ -. --«а п-тпх опытов, г которых было показано, что состояние ■* г:1 ал,.ти°т>гпт";гг>й стчмряшш (сози-эвлемое окошональяо-.....-^.-.,-лЛ р.,> Ч-.П^З ?. Ч'Г.ОВ провоют К ОИИТбИ'ЛП активно —

сти Na ,К-АТФазы в сердце, но полностью предупреждается и,*.! верительным введением индерала.

Сравнение уровня Tg с активностью На ,К-АТФазы в окв-кпп:. мышцах и почках показало, что Tg не мог иметь прямого отношыи'--' к изменению активности катионных насосов при акклимации к холоду. По нашему мнению, это объясняется тем, что содержшше Tg ь плазме не превышает при акклимации к холоду 2.2 нмоль/л, тогда как минимальная доза, при которой еще обнаруживается активация фермента экзогенным гормоном, составляет около 150 нмоль на 1 кг массы ( Edelrnan , 1981). Кроме того, захват Tg ядрами клеток-мишеней при акклимации не возрастает ( Balsaa, Leppo , 1974). Следовательно, механизм, с помощью которого Tg активирует кати-онные насосы, нечувствителен к физиологическим сдвигам в концентрации этого гормона ( Ds Santo st al. , 1982) и поэтому повышение его уровня в условиях холода не отражается на их функционировании. С помощью спиронолактона удалось показать, что в почках, по крайней мере, в начальный период акклимации активный транспорт На+ и К4" находится под контролем альдостерона. Это препятствует развитию глубокой депрессии Na -насоса в период формирования повышенной холодоустойчивости, и поэтому альдостерон чрезвычайно важен на начальном этапе акклимации для сохранения необходимого уровня почечной реабсорбции На+ .

' Сравнительный анализ мощности и энергоемкости На-насоса

Для анализа базальной энергоемкости На -насоса гёпатоцитов выделены две группы данных. Среднее значение энергоемкости насоса в первой группе составляло 7.0$, а потребление О2 печенью 81 ммоль на 1 кг за 1 час. Во второй группе - 25.4$ и 124 ммоль

на 1 кг за 1 час соответственно. Мощность, развиваемая ■Мсосом, достигала в этих группах 0.64 и 4.14 мВт/г. Скорость ак~

гибкого транспорта в печени при 37 °С в Среднем по всем данным составляла для Na+ 111.0, для К+ - 63.4 ммоль на 1 кг за 1 час. Исходя из того, что 7.0$ от 81 ммоль 02 составляет 5.7, а 25.4$ от 124 ммоль 0¡j на 1 кг за 1 час - 31.5 ммоль на 1 кг за 1 час, активные потоки На+ и К* в группе с низкой энергоемкостью при AT$:Kf:Ha+ = 1:2:3 должны быть величинами порядка 105 и 69, а в группе с высокой энергоемкостью - 567 и 378 ммоль катиона на 1 кг ткани за'1 час. Следовательно, расчет, основанный на базисной стехиометрии насоса соответствует экспериментальным результатам только для группы с 7.0$ энергоемкостью на-насоса.

Для проверки этого вывода било рассчитано количество энергии, необходимое на выполнение только обратимой работы по сохранению трансмембранннх градиентов катионов. Оно составляло 1.9 кДд на 1 кг за 1 час. Так кйк Ао гидролиза АТФ в печени при физиологических условиях достигает -46.4 кйж/моль, то на обратимую работу должно расходоваться около 40.0 ммоль АТФ на 1 кг ткани за 1 чаз. При отношении 1С:АТФ = 2.0 всего должно расходоваться 54.0 ммоль АТФ, т.е. энергетическая эффективность только катион-транспортного процесса (без учета эффективности образования АТФ) является

é

величиной порядка 74$. Если же исходить из того, что на работу . На -насоса тратится 35-38$ клеточного метаболизма ( 1вваИ-

beigi, Edelaan 1970-1974) или в данном случае 387 ммоль АТФ

. 1 i

на 1 кг за 1 час, то'эффективность не превысит ненормально малой ■

¡

величины ,11.0$, а отношение К^АТФ - 0.3. Таким образом, энерго-

'i

затраты на работу На -насоса гепатоцитов в нормальных условиях не превышают 10$ базального' энергообмена клеток, а развиваемая

при этом мощность составляет не более 1 мВт/г.

<

При анализе энергоемкости и мощности На -насоса в скелетных мышцах -данные били объединены в две группы. В первую включены те, в которых энергоемкость На -насоса не превышала 10.0$, во

вторую - все остальные. Поглощение Og мышцами первой группы соо тавляло 25.1 ммоль на 1 кг за 1 час, энергоемкость На -насос» 5.6$, а во второй соответственно 75.4 и 29.5$. Мощность, развивав мая насосом, в первой группе должна бы составить около 0.17, во второй - 2.98 мВт/г. Это создает необходимость выбора между край ними значениями почти 20-кратного диапазона и возможным наличием в действительности некоторой средней мощности. Для выяснения этого вопроса была рассчитана энергетическая эффективность только механизма активного транспорта. За основу расчетов по группе с высокой энергоемкостью На -насоса использована обратимая работа в 0,63 кЦж на 1 кг за 1 час и средняя мощность в 2.98 mBt/i. Поскольку 2.98 мВт/г соответсвует 10.7 кЦж на 1 кг за 1 час, то эффективность активного транспорта должна составлять (0.63:10.7)х100 = 5.9$. Это намного меньше 52.0$ - минимальной эффективности активного транспорта в скелетных мышцах, установленной экспериментально ( Chinet, Clausen , 1984). Другие оценки также показывают, что энергоемкость На -насоса в 29.5$ и мощность в 2.98 мВт/г во много раз превосходят показатели, соответствующие действительной интенсивности активного транспорта катионов в скелетных мышах в базадьных условиях.

Принципиальную важность представляет отношение между общим расходом энергии и энергозатратами на работу На -насоса после перехода мышц из состояния покоя к сократительной деятельности. Здесь общий вывсд, полученный 'на основа энергетики медленной (Алпхин, 1985) и быстрой мышц ( Thompson, Uohrman , 1983) заключается в том, что суммарный расход энергии на совершение работы в изотоническом и изометрическом режимах в широком диапазоне частот стимуляции возрастает в большей степени, чем его часть, расходуемая на откачку дополнительного количества катионов На+, входящих в волокно при прохождении потенциалов действия.

Основываясь на данных о стехиометрии активного транспорта, : /1кцмонном выходе К+ и интенсивности обмена нестимулированных • г.,1понитов БЕТ в базальных условиях, можно считать, что верхней ■П'нкой энергоемкости На -насоса этого типа клеток является

На -насос в усилении несократительного термогенеза организма после акклимаши к холоду

Для оценки на уровне организма количества теплоты, связанной о работой На -насоса в качестве стехиометрического источника, исходили из примерной одинаковости энергетических эффективностей окислительного фосфорилирования и активного транспорта На+ и К+. Крыса массой 400 г при комнатной температуре в состоянии покоя поглощает 488 мл С^ за 1 час. На работу Ка-насоса в этом случае расходуется 10.5-12.6% базального энергообмена.

Таблица 3

Расход энергии на работу На -насоса у крысы, акклимиро-вянной к комнатной температуре и находящейся в состоянии покоя

Объект Тканевая структура энергообмена Базальная энергоемкость На -насоса, мл О2 за 1 час

% мл О2 за 1 час

мышцы 50 244.0 14.6 -- 19.5

печень 20 97.6 9.8

почки 7 34.2 14.0

мозг . 3 14.6 7.3

Ш1 4 19.5 0.97 - 1.95

"стальные 16 78.1 4.40 - 8.80

итого 100 488.0 51.07 - 60.37

7' н::т:;х опытах онзргообмен покоя акклимированной к холоду

крысы при комнатной температуре был увеличен в среднем на 1.-.-. Если допустить, что дополнительный термогенез бия целиком ¡ю / рактеру несократительным, то из сверхбазальных 73 мл Og, погл;. щаемых акклимированной крысой в течение 1 часа, на работу i.'a • coca из этогообъема расходуется около 15.6^. При понижении т<\-пературы воздуха до О °С энергообмен покоя акклимированной к -. лоду крысы возрастает в два с лишним раза ( Poeter, Prydmu 1979). В предположении, что долевое участие« Na-насоса в iU;l органов и тканей осталось таким же, как при комнатной темпера-!,) ре, выполнены два варианта расчетов - когда мог преобладать мышечный тип дополнительного термогенеза и когда преобладающим г.-,::! ло быть теплообразование в БЕТ. В первом случае повышенная ATЬ гидролитическая мощность Na-насоса обеспечивала 9.СЙ, во втор.*;, 16.СЙ дополнительного HGT.

Активация Na -насоса, катионы К+ и термогенез бурой жировой ткани

Na-насос будучи связан в качестве промежуточного звена (через Na+n К1' и иные вещества, трансмембранные потоки которых связаны с Na-насосом) с энергоконвертиругацими процессами, обда дает возможностью изменять интенсивность теплообразования косвенно, в общем случае - нестехиометрически. При этом возможно появление третьего источника тепла (кроме молекулярной машины насоса и митохондрий), значительно усложняется регуляция, возникает ие-определенность" в количественной оценке этой части тепловой функ -ют На -насоса, а ее реализация в клетках разного типа может быть неодинаковой. И наконец, главное - благодаря этому тепловая функция насоса интегрируется с проявлением биологически важнн< внутриклеточных явлений.

К настоящему времени стала очевидной связь ионного гомоостч:; >

■ ■ -¡тки с ростовыми и пролиферативными процессами (Данко и др., |;."Н), одной из основ которой служит необходимость К4" для функционирования синтетического аппарата клетки (Веренинов, Марахова, к^г,). Адаптивное повышение теплообразования в буром жире при акклимации к холоду не эквивалентно просто количественному усилению симпатической стимуляции, так как в его основе находится гиперплазия, вызванная ускорением пролиферации преадипоцитов, в сочетании с повышением термогенного потенциала каждой клетки ( Ви-кст1ес1с1 > 1982). В результате активной биосинтетической деятельности у акклймированных к холоду животных общее содержание бмлка в адипоцитах возрастает в несколько раз (Петрович и др., 1984). Значение механизма воспроизведения и реализации термогенного сигнала, для генерирования которого необходима активация Ка -насоса, при акклимации к холоду возрастает. Однако участие На -насоса в повышении термогенеза БЗКТ выходит за рамки стехио-метрического пу?и, что объясняется его низкой энергоемкостью, ю соответствующей глубокому подавлению уабаином базального и нор-адреналин-стимулированного термогенеза адипоцитов при контакте

ингибитора с клетками в течение 1-2 часов. В связи с этим обра-

•о

щает внимание, что НА вызывает потерю К4" адипоцитами, а повышение обводненности адипоцитов при акклимации также направлено на уменьшение его концентрации. Поэтому активация Ив -насоса прежде всего необходима для предотвращения потери К4".

В свете данных о роли К4" находит объяснение необычный для кло-ток, обладающих На -насосом, баланс катионов в адипоцитах БЖТ. По-видимому, он служит определенным резервом, позволяющим адипо-цчтам при акклимации избежать потери К4" и откачки На+ до физиологически неблагоприятного уровня. При высокой концентрации На+ рати мая работа по сохранению его трансмембранного градиента в " раза меньше, чем р среднем для других клеток, что в сочетании

с фиксированной стехиометрией транспортного процесса делает к адипоцитах гидролиз АТФ максимально термогенным для данных у. ■• вий. Возможно, что катионы К1" являются одним из факторов, св&*< вающих термогенный потенциал адипоцитов с их общей массой. 13 ;. льзу этого свидетельствует обратная зависимость между абсолют;., сухой массой БЕ и концентрацией в ней К*. Здесь принципиально, что основу связи составляла (по крайней мере, до акклимации к х лоду) не обводненность адипоцитов, а иной фактор. Тот же факт, что содержание К+ при акклимации увеличивается даже во внутриклеточной воде, отражает акклимационную компенсацию возрастного снижения термогенного потенциала БЖТ.

Высокая качественная схожесть изменений, вызываемых НА и холодом показывает, что в физиологических условиях акклимации к холоду усиление симпатического "натиска" на бурый жир является необходимым условием ускорения пролиферации. Функциональная сопряженность между пролиферацией бурого жира и адаптивным формированием его термогенного потенциала, общая необходимость в поддержании высокой скорости синтеза белков позволяют предположить, что активация На -насоса служит общим звеном, связывающим эти, по существу, разные процессы - репликацию клеток и специализированную форму диссипации энергии. ,

Последствия уменьшения активности На -насоса

в мышцах при акклимации к холоду

Сглаживание различий в активности транспортной системы на+ г К4 между белыми и красными мышцами со стороны Ьелых и уменьшение активности Са-насоса при акклимации к холоду находится в русле перестройки, приводящей к уменьшению количества белых волокон. Несомненен ее адаптивный характер, так как красные(медленные) в> локна при акклимации к холоду термогенно более важны, чем белно

"¡.истрне) (Баженов, 1981). После акклимации в мышцах уменыпает-ч часть теплообразования, непосредственно связанная со стехио-"чпяческой работой На -насоса. Однако анализ показал, что в "'чояцейся мышце энергоемкость На -насоса меньше 13$, величи-"н полученной наш в эксперименте. Поэтому уменьшение энергоемкос-тг насоса после акклимации к холоду 1п т!уо снижает НСТ гчгиц едва ли на Ъ%.

Оценивая последствия уменьшенных активности Са-АТФазы и ско-

9,

рости аккумуляции Са фрагментами СПР в связи с постакклимацион-ной активацией СТ, сочетающейся со снижением сократительной деятельности мышц, необходимо отметить, что точный учет вклада Са-насоса в теплообразование скелетных мышц по ряду Причин сложен. Однако определенно, что уменьшение скорости реаккумуляции Са2+ в иистерны СПР под влияниемхолода должно вызывать удлинение механического ответа волокна. При этом следует иметь в .виду, что хотя

о,

начало и окончание активного входа Са в ретикулум задается непосредственно уровнем свободного Са^+ в миоплазме, интенсивность работы Са-насоса зависит от ионной композиции среды, снижаясь при уменьшении отношения [к+]/[Иа+] (Болдырев, 1977). Поэтому- становятся более понятными физиологические последствия уменьшения этого показателя ионного баланса, начиная со 2-ой недели и вплоть ло самых отдаленных сроков акклимации.

Для представления о роли Са-насоса в механизме активации СТ имеет значение то обстоятельство, что свободные жирные кислоты не только разобщают окисление от фосфорилирования, но снижают энергетическую эффективность использования АТФ Са-насосом сарко-глазкатического ретикулума (Есырев, 1983). Такой путь активации ОТ является сугубо сократительным, так как в несокращающейся •■"гше Са-насос не функционирует.

Тепловая функция и значение Иа-насоса для клеток в условиях холода

Усиление гидролиза АТФ На,К-АТФазой имеет вполне определенное, но не главное значение для повышения интенсивности теплообразования при акклимации к холоду. Среди всех тканей живота., го организма только бурый жир может быть отнесен по свойствам к теплогенератору. Сяедовательно, ни одному из процессов в клетка* всех тканей, кроме БЖ, не свойственна функция специализированно^, тепловыделяющего элемента. В силу этого активация АТФ-гидролити-ческого теплообразования при акклимации к холоду первично связана о выполнением работы, а не генерации тепла (Хаскин, 1984).

С этой позиции находит объяснение повышение мощности На -насоса и ослабление^ его температурной чувствительности в почках, как направленное на предотвращение потерь ионов при резком усилении диуреза на холоде. Постепенное понижение мощности катионных насосов в скелетных мышцах, хотя несколько снижает теплоотдачу от них в качестве стехиометрических источников, по-видимому, связано со снижением двигательной активности животных и уменьшением нагрузки на мышечную систему и компенсируется усилением сократительного термогенеза. Активация Ма -насоса в БЖТ необходима для реализаций' специализированной тепловой функции ади-поцитов прежде всего как фактор, обеспечивающий функционирование главного тепловыделяющего механизма - разобщения окисления от фосфорилирования и ускорения пролиферации. Поэтому представляется, что регуляция активности На ,К-АТФазы и мощности На -насоса даже при дефиците тепла-в организме гомойотерма прежде всего направлена на обеспечение главных функций клеток. Такой же принцип регуляции при акклимации к холоду, возможно, действует у Гетеро-термов. В пользу этого свидетельствует соответствуопев изменение свойств катион-транспортной системы Иа+ и К+ в головном мспгп

почках ( Goldman, Alters , 1975; Charnoek, Simonaon f 1973). •>''ожие явления, препятствующие снижению или даже способствующие ■ 'щышешио активности На ,К-АТФазы в почках ( Spektor et al#, 'J74; Tirri et al., „ 1978) и,наоборот, вызывающие ее тор-••■птение в сердце, происходят при акклимации к холоду у пойкило-термов.

Это позволяет считать, что у всех животных-в условиях аккли-м-чпии к холоду действует едины® принцип регуляции На -насоса, направленный на реализацию физиологически адекватного изменения главных специфических функций клеток.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Акклимация к холоду вызывает закономерные изменения в -л-... отвах катион-транспортной системы lía+ и К4" всех исследован ни« тканей и органов. Наиболее глубокие и важные из них в ионогомо-статическом и термогенном отношениях происходят в почках, скелетных мышцах, бурой жировой ткани и печени. Адаптивное повышение мощности Na-насоса в почках, само по себе ведущее к усиль шло несократительного термогенеза, показывает, что сравнительно мягкий периодический режим акклимации к холоду приводит к значн тельному функциональному напряжению органа.

Очень чувствителен к холоду На-насос термогенно ответственных скелетных мышц и,бурого жира. По-видимому, это не случайно и свидетельствует о том, что он имеет непосредственное отношение к активации теплообразования и, кроме того, обеспечивав г его реализацию косвенно. В скелетных мышцах На-насос может участвовать в активации теплообразования только непрямым путем, так как его АТФ-гидролитическая мощность там невелика и при акклимации к холоду незначительно снижается, а относительная энергоемкость при переходе мышц из покоя в рабочее состояние понижается.

В активации теплообразования бурой жировой ткани стехиомит-рическое значение На-насоса поддается количественному учету, а косвенное - требует специального анализа. Несомненно, что

На-насос бурого жира - важное звено механизма усиления метаболизма и участвует в этом процессе через прямую регуляцию энерго-сбмена адипоцитов и, по-видимому, через увеличение массы тканн путем ускорения пролиферации.

Па-насос в качестве стехиомотряческого диссипатора ошф-rtüf. по-влщ::.'з?лу, н~ пгрпот заметной роли в срочном уволичошш

. . ^¡.иоигашл а уилианш холода, ¿тому препятствует его не-•..■¡отвительность к физиологическому повышению уровня Т3 и невы-ч-ая базальная энергоемкость в термогенно ответственных клетках. : отдаленный же период акклимации, когда наступает устойчивое | •• VIгературное гомеостатирование организма, Иа-насос в качестве гохиометрического источника обеспечивает не менее 10% несокра-гительного термогенеза. Это небольшая величина,' но необходимо .учитывать, что она является только той частью позитивного вклада

Ка -насоса в активацию термогенеза', которая поддается прямому учету.

г

ВЫВОДЫ

1. Под влиянием акклимации к холоду в бурой жировой ткани . значительно воврастают активность и а ,К-АТФазы, уабаин-чув-ствительное дыхание и уменьшается внутриклеточная концентрация

1)а+ , что в совокупности свидетельствует- об активации На т-на-соса адипоцитов. Активация является компенсаторным ответом, пер-рично направленным на поддержание высокой концентрации К*.

2. Концентрация К+ в бурой жировой ткани служит одним из факторов, определяющих интенсивность метаболизма адипоцитов. Вследствие этого теплообразующая функция на ^насоса адипоцитов 6,-урой жировой ткани при акклимации к холоду реализуется прямо - через функционирование в качестве стехиометрического .АН-гидролитического механизма, так и косвенно - в качестве регулятора внутриклеточного уровня катионов К*', необходимых для :>'1^р-'тия ч сохранения гиперметаболического состояния адипоцитов.

3. Нэплэ .длительной акклимации к холоду усиление энергообме-., :!,,;с)г: частично вызвано активацией Ка -насоса.

-Зо...

4. В период формирования холодоустойчивости энергообмен а^ чек не возрастает, а иа -насос органа в это время находится под контролем альдостерона. После длительной акклимации к холо ду энергообмен почек повивается. В коре и мозговой зоне почек это полностью вызвано активацией ца -насоса.

5. Динамика и зональная локализация изменений уабаин-чувот-вительного дыхания и активности На ,К-АТФазы почек при аккламации к холоду не коррелируют с уровнем триМдтиронина в плазме. Причиной этого, по-видимому, является нечувствительность

Не -насоса к такому увеличению содержания трийодтиронина в плазме, которое развивается при физиологической акклимации к холоду.

6. Температурные зависимости ыа,К-АТФазы, уабаин-чувст-вительного дыхания и общего энергообмена почек в диапазоне 33-42 °С существенно ослабляются после акклимации к холоду, что в условиях повышенного холодового диуреза служит способом предохранения ионного гомеостаза от нарушения даже в случае гипотермии.

7. После авклимавди к холоду интенсивность энергообмена головного мозга и энергоемкость его на-насоса не изменяются. Только в специальных условиях у акшгамированных к холоду живот -вес проявляется активация На -насоса, вызывающая адекватное увеличение энергообмена мозга.

8. После акклимации к холоду на фоне повышенного энергооб-«ена мышц снижается АТ^Ф-гидролитическая способность На -наоо-¡а плазмалеммы, поэтому теплообразование от этого стехиометри-геского источника в мышцах не возрастает, а уменьшается, хотя

: незначительно.

'.). Вследствие понижения катион-транспортной мощности -насоса после акклимации.к холоду содержание К+ в волокнах I и уменьшается, а ца+ увеличивается. Отношение внутриклеточ-■■■■! концентраций [к+]/[на'1"] и активность ца,К-АТФазы в и красных мышцах изменяются неодинаково, поэтому различие О'иачса катионов между ними сближается, причем преимущественно ■о стороны белых.

10. При акклимации к холоду замедляется скорость аккумуляции фрагментами саркоплазматического ретикулума и уменьшается

активность Са-АТФазы, но энергетическая эффективность транспорта не изменяется. Уменьшение мощности катионных: насосов, отношения концентраций свидетельствуют о закономерном изменении угоавляющего аппарата мышечных волокон в сторону свойств, присущих более важным в термогенном отношении медленным волокнам.'

11. В термогенно ответственных скелетных мышцах, бурой жировой ткани и печени базальная энергоемкость ив-насоса как сте-хиометрического источника составляет 5-10$, а развиваемая им мощность достигает 0.2-1.0 мВт/г'. В рабочем состоянии энергоемкость Ма-насоса относительно уменьшается, так как энергообмен мышц повидается в большей степени, чем энергозатраты на откачку Иа+ .

12. Вследствие изменения энергетической мощности после акклимации к холоду работа Ма-насоса.как простого АТФ-гидролити- ■ тесного источника активирует несократительное теплообразование организма, находящегося в состоянии покоя, на 9-16$.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ларионов Н.П., Медведев Л.Н., Храменко С. А. Исследование влияния температуры окружающей среды на кинетические характеристики Na ,К-АТФазы лягушки // Биологические исследования в вузах Красноярского'края. - Красноярск: Изд-во Красноярского ун-та, 1977. - С.72-73.

2. Медведев Л.Н., Храменко С.А., Ларионов Н.П. Влияние температурной адаптации на кинетические характеристики На ,К-АТФазы в сердце лягушки // Общие вопросы экологической физиологии. Температура среды и энергетика животного организма в природе и эксперименте: Тез. докл. 5-ой Всесоюзной конф. по экологической физиологии, биохимии и морфологии. - (Фрунзе, 1977). -Л., 1977. - С.167-168.

3. Медведев Л.Н., Храменко С.А., Кутумова Н.В. и др. Состояние

Ла-насоса у экто- и эндотермов при адаптации к холодовому стрессу // Стресс и адаптация: Тез. докл. Всесоюзного симпозиума. - (Кишинев, 1978). - Кишинев: Штиинца, 1978. - С.344.

1. Ларионов Н.П., Медведев Л.Н., Храменко С.А. Влияние температуры окружающей среды на регуляцию На ,К-АТФазы в сердце и головном мозге у теплокровных и хододокровннх .//Научно-техни-ческзй прогресс и приполярная медицина: Тез. докл. 4-го межд. симпозиума по приполярной медицине. - (Новосибирск, 1978). -Новосибирск, 1978. -Т..1. - С.204.

5. Ларионов Н.П., Медведев Л.Н., Храменко O.A. Влияние темпера-• туры окружающей среды на На ,К-АТФазу миокарда лягушки // Биохимия. - 1978. - Т. 43, J54. - 0.653-655.

1. Ларионов Н.П., Медведев Л.Н., Храменко С.А. Активация На ,К~ АТФазы головного мозга и почек крысы при адаптации к холоду/7 Бюллетень эксперям. биол. кед. - 1979. - Т.87, НЗ. - С.221-222.

7. Медведев Л.Н., Храменко' С.А., Ларионов H.H., Замай Т.Н. Влияние адаптации к холоду на уабаин-чувствительную компоненту дыхания почки крыс // Бшлетень эксперим. биол. мед. -

1981. - Т.92, №8. - С.20-22.

8. Медведев Л.Н., Замай Т.Н., Храменко O.A., Ларионов Н.П. Роль активации На-насоса в увеличении энергообмена почек у адаптированных к холоду крыс // 6-ая Всесоюзная конф. по физиологии почек и водно-солевого обмена: Тез. докл. -(Новосибирск, 1981). - Новосибирск, 1981. - С.182.

9. Медведев Л.Н., Кутумова Н.В., Субботина Л.А. и др. Снижение уровня норадреналина при адаптации животных к холоду в прерывистом режиме // Регуляторные эффекты и обмен моноаминов и циклонуклеотидов. - Красноярск: 1981. - С.50-55.

10. Медведев Л.Н. Значение Ва-насоса в теплообразовании при адаптации к холоду // Важнейшие теоретические и практические проблемы терморегуляции: Тез. докл. 1-ой Всесоюзной конф. по терморегуляции. - (Новосибирск, 1982). - Новосибирск, 1982. -G. 99.

11. Медведев Л.Н., Замай Т.Н., Волокитина Н.В. Терморегуляторная функция натриевого насоса // Адаптации организмов к природным условиям: Тез. докл. 6-ой Всесоюзной конф. по экологической физиологии. - (Сыктывкар, 1982). - Сыктывкар, 1982. -Т.З. - С. 37.

12. Меерсон Ф.З., Медведев Л.Н., Голубева Л.Ю., Устинова Е.Е. Влияние эмоционально-болевого стресса на активность На,К-АТФазы в сердечной мышце // Бюллетень' эксперим. биол. мед. -

1982. - Т.94, №8. - С.61-63.

13. Медведев Л.Н., Замай Т.Н., Субботина Л.А., Маркелова Э.Т. Повышение чувствительности к ингнбирующему. действию ацетил-холина На ,К-АТФазы скелетных мышц у адаптированных к холо-

ду крыо // Биологическая роль и обмен моноаминов и циклону« леотидов. - Красноярск: 1983, - С.71-75. _M.-Jfe2sa38iB;JLfí, Уабзда-чувствитадьное дыхание и На ,К-АТФаза скелетных-тяйщ я бурого -sapa-j- л .sasooiv

// Физиол. журн. СССР. - 1983. - Т.69, МО. - С.1321-1325.

15. Медведев Л.Н., Замай Т.Н., Медведева С.Е. Состояние и регуляция На,К-АТФазы при адаптации эндотермных животных к холоду // 16-ая конф. ФЕБО: Тез. докл. - (Москва, 1984). - М., 1984. - С.296.

16. Медведев Л.Н., Замай Т.Н. Особенности активации уабаин-чув-ствительного дыхания и На,К-АТФазы в коре и'мозговой зоне почек крыс, адаптированных к холоду // Биологические науки. -

1984. - №7. - С.18-23.

17. Замай Т.Н., Медведев Л.Н. Активность Na,К-АТФазы в почках и уровень 3,5,3'-трийодтиронина в плазме крыс при адаптации к холоду // Вопросы медицинской химии. - 1985. - Т.31, ¡ вып. 3. - С.137-140.

18. Медведев Л.Н. Изменение содержания На и К в скелетных мышцах крнс при адаптации к.холоду // Физиол. журн. СССР. -

1985. - Т.71, S&.. - С.750-753.

19. 'Медведев Л.Н. Снижение активности На,К-АТФазы и мощности

На-насоса в скелетных мышцах адаптированных к холоду крыс. / 5-ая Всесоюзная конф. по биохимии мышц. - (Телави, 1985). -Тбилиси, 1985, - 0.71-72.,

20. Замай Т.Н., Медведев Л.Н., Вайс E.i. *ц др. Влияние ддитель-.'. ной, до полугода, адаптации к холоду.в периодическом режима

ка функцию почек и ионный баланс пяазвд крови // Важнейпщз / теоретические и практические проблемы терморегуляции: Тез. докл. 2-ой Всесоюзной коЩ. по терморегуляции. - (Минск,. " 1986). - Минск, 1986. - С.103.

21. Медведев Л.Н., Храменко С.А. Температурная зависимость активности (На +К)-АТФазы из сердца охлажденных и разогретых лягушек // Деп. ВИНИТИ, 06.02.86 г., Й861-В86, 10 С. - Реферат в журнале эволюционной биохимии и физиологии, 1986. -Т.22, М. - С.98.

22. Медведев Л.Н., Замай Т.Н. Ионный гомеостаз клеток при адап-. тации животных к холоду // 5-ый Всесоюзный, биохим. съезд: '

Тез. докл. - (Киев,' 1986). - М.: Наука, 1986. - Т.2. -С.391-392.

23. Медведев Л.Н. Влияние адаптации к холоду на содержание кали) и натрия в белых и красных мышцах крыс // Физиол. журн. COCI - 1987. - Т.73, М. - С.56-58.

24. Медведев Л.Н., Замай Т.Н., Медведева С.Е. Депонирование калия и воды в бурой жировой ткани у адаптированных: к холоду крыс // Физиол. журн. СООР. - 1987. - Т.73, И. - С.124-129.

25. Медведев Я.Н., Маркова С.В. Снижение функциональной активности Са-насоса саркоплазматического ретикулума скелетных мышц под влиянием холода // Физиол. журн. СССР. - 1987. -Т.73, JÍ6. - С.745-749.

26. Медведев Л.Н. Теплорегулирующая фикция (1Та++ К+)-АТФазы бурого жира // 4-ая Всесоюзная конф. по патологии клетки: Тез. докл. - (Москва, 1987). - М., 1987. - С.114.

27. Медведев Л.Н., Замай Т.Н., Вайс Е.Ф. Влияние адаптации к холоду на содержание ионов в плазме и эритроцитах // Бюллетень СО АМН СССР. - 1987. - №5. - С.45-47.

Тираж 100 экз. - .

. Заказ U Si-Типография Красноярского ЦНТИ Подписано в печать -2?. U. Цг> AI Q6564