УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2007, том 127, № 4, с. 396-404
УДК 612.812.8+577.175.822:597
АЦЕТИЛХОЛИНЭСТЕРАЗА -БИОМАРКЕР ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ОБОНЯТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РЫБ
© 2007 г. П. А. Гдовский, Н. Н. Ружинская
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, Борок, Ярославская область
Обобщены результаты собственных исследований, посвященных изучению роли ацетилхолина и ферментов его метаболизма в структурно-функциональной организации обонятельной луковицы рыб с различными обонятельными способностями. В результате анализа электрофизиологических, биохимических, а также гисто- и цитохимических данных у макро- и микросматов обнаружены определенные различия в организации холинергического механизма обонятельной луковицы. Установлено, что в обонятельной луковице микросматов реализуется молуляторная функция эндогенного ацетилхолина, которая заключается в регуляции активности нейронов и пластичности межнейронной синаптической передачи. Сделан вывод, что у макросматов мускариновая модуляция в обонятельной луковице сочетается с медиаторной функцией ацетилхолина в части аксо-дендрит-ных синапсов, что свидетельствует о его непосредственном участии в афферентном проведении и всех дальнейших этапах обработки обонятельных сигналов.
ВВЕДЕНИЕ
В свое время результаты определения удельной активности ацетилхолинэстеразы (АХЭ) в обонятельной системе различных видов рыб показали, что уровень ферментативной активности в обонятельной луковице (ОЛ) отражает обонятельные способности вида. Как выяснилось, этот биохимический показатель в относительном его выражении, т.е. при сравнении с передним мозгом (ПМ), вполне может быть использован для оценки функционального развития обонятельной системы у рыб.
Дальнейшие исследования, направленные на выяснение функциональных основ этого соответствия, подтвердили реальную связь холинергичекой ферментативной системы в ОЛ рыб с процессами обонятельной рецепции. В отличие от млекопитающих, у которых активность холинергических ферментов в ОЛ определяется наличием связи с популяцией холинергических нейронов в комплексе ядер базальной части переднего мозга [2, 16, 17, 18, 23], активность АХЭ в ОЛ рыб зависит от целостности ее периферического, афферентного, входа [4, 6]. В ОЛ млекопитающих не обнаружено нейронов, которые обладали бы способностью к синтезу АХЭ или содержали бы холинацетил-трансферазу (ХАТФ). В ОЛ карпа, напротив, обнаружены как АХЭ, - так и ХАТФ-позитивные нейроны [7, 10].
Экспериментально подтверждена способность нейронов ОЛ карпа и щуки к синтезу АХЭ [9, 11]. Получены данные об увеличении ферментативной активности в ОЛ после обонятельной нагрузки рецепторов [8]. Все эти факты так или иначе
свидетельствуют о правомерности использования удельной активности АХЭ в ОЛ в качестве биомаркера функционального состояния обонятельной системы рыб. Однако долгое время оставался нерешенным главный вопрос, чем отличается организация холинергического механизма в ОЛ у рыб макросматов с высоким уровнем ферментативной активности от микросматов, ОЛ которых характеризуется низкой удельной активностью АХЭ. По целому ряду причин изучение видов микросматов до недавнего времени совсем не продвигалось. Одна из них, связанная с низкой активностью фермента в ОЛ, существенно осложняла гисто- и цитохимические исследования. Лишь после регистрации в ОЛ щуки феномена длительной посттетанической потенциации (ПТП) появились данные относительно холинергической ферментативной системы в ОЛ микросматов. Сравнительный анализ всего материала в определенной мере проясняет вопрос. Его результаты и легли в основу настоящей статьи.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты определения удельной активности АХЭ в периферическом и центральных отделах обонятельной системы у 15 видов рыб с различной экологией показали наличие положительной корреляции между активностью фермента в обонятельной луковице (ОЛ) и значением обоняния в жизни и поведении вида (табл. 1).
Уровень активности АХЭ в обонятельной выстилке (ОВ) рыб всех исследованных видов, за исключением налима, очень низкий по сравнению с
Таблица 1. Удельная активность АХЭ (мкмоль/г-ткани/ч) в периферическом и центральных отделах обонятельной системы рыб
B^ n OB OЛ ÏÏM ^унны
Bьюн Misgurnus fossilis L. 5 40 ± 4 411 ± 4 116 ± 19 1
^лим Lota lota L. 5 418 ± 63 311 ± 62 198 ± 17 1
Oceтp Acipenser baerii Brandt 6 34 ± 4 94 ± 5 49 ± 17 1
Kapн Cyprinus carpio L. 7 34 ± 2 754 ± 93 333 ± 21 1
Чехонь Pelecus cultratus L. 4 74 ± 7 511 ± 34 254 ± 34 1
^анчатый томик Corydoras paleatus Jenyns 6 70 ± 5 1300 ± 126 650 ± 72 1
Угopь Anguilla anguilla L. 4 7 ± 1 167 ± 2 91 ± 15 1
Лещ Abramis brama L. 4 12 ± 1 463 ± 69 431 ± 44 2
Синец Abramis bollerus L. 6 11 ± 2 249 ± 37 303 ± 33 2
Фopeль Salmo gardneri R. 4 7 ± 1 140 ± 12 170 ± 20 2
Камбала, зpячaя cтopoнa Palatesa palatesa L. 3 28 ± 7 157 ± 22 321 ± 42 3
Рянушка Coregonus albula L. 6 8 ± 1 78 ± 9 220 ± 24 3
O^rn Perca fluviatilis L. 8 6 ± 0.5 75 ± 5 201 ± 8 3
Щука Esox luceus L 4 3.5 ± 0.3 69 ± 4 255 ± 34 3
Tpeœa Gadus morhua L. 4 15 ± 3 96 ± 7 431 ± 23 3
Примечание. Группы: 1 - макросматы (уд. акт. АХЭ ОЛ достоверно выше, чем в ПМ при Р < 0.05), 2 - медиосматы (уд. акт. АХЭ ОЛ и ПМ достоверно не различаются при Р < 0.05), 3 - микросматы (уд. акт. АХЭ ОЛ достоверно ниже, чем в ПМ при Р < 0.05).
центральными отделами. Несмотря на это связь между ферментативной активностью в ОВ и обонятельными способностями вида все же прослеживается. Так, у рыб с хорошо развитым обонянием - макросматов (карп, вьюн, кратчатый сомик), активность АХЭ в ОВ заметно выше, чем у пелагических хищников, пищедобывательное поведение которых в основном определяется зрением (щука, окунь). У камбалы значения удельной активности АХЭ для верхней выстилки (зрячая сторона) в 2 раза выше по сравнению с нижней.
Удельная активность АХЭ в ОЛ рыб всех исследованных видов отражает уровень развития обоняния. Обнаруживается связь и с расположением ОЛ по отношению к ПМ. У рыб макросматов, имеющих стебельчатые луковицы (налим, вьюн, карп, сом), уровень активности АХЭ в ОЛ намного выше, чем у рыб микросматов с сидячими луковицами (щука, окунь). Лишь треска - обладатель стебельчатых луковиц, отличается низкой ферментативной активностью в ОЛ. По этому признаку она попадает в одну группу с щукой и окунем.
Удельная активность АХЭ в ПМ, где расположен вторичный обонятельный центр, не обнаруживает связи с уровнем развития обонятельной рецепции. Однако сравнение ферментативной активности в ОЛ и ПМ позволяет выделить три группы рыб. Первая объединяет такие виды, как вьюн, налим, карп, чехонь, крапчатый сомик, угорь, отличающиеся достоверным превышени-
ем активности АХЭ в ОЛ по сравнению с ПМ. Вторую группу составляют виды, имеющие примерно одинаковый уровень ферментативной активности в этих отделах мозга (лещ, синец, форель). И наконец, третья группа (окунь, щука, треска) характеризуется значительно более низкой активностью АХЭ в ОЛ, чем в ПМ.
Такое распределение исследованных видов в целом соответствует классификации Тейхмана [21, 22], согласно которой налим и карп относятся к макросматам, лещ и синец - к медиосматам, а окунь, треска и щука - к микросматам. Различный уровень активности АХЭ в ОЛ у представителей одного отряда, например, среди карповых или тресковых, и сходный у рыб из разных отрядов (вьюн и налим, треска и щука) отражают экологическую обусловленность развития обонятельной функции независимо от таксономического положения видов.
Какова же физиологическая основа такой корреляции? Очевидно, что решение этого вопроса в первую очередь связано с выяснением функциональной роли ацетилхолина (АХ) и холи-нергической ферментативной системы в синапти-ческой организации ОЛ. С этой целью в электрофизиологических экспериментах исследовали действие холинергических веществ на импульсные реакции в обонятельном тракте (ОТ) карпа и карася, представляющих группу макросматов, а также на вызванный ортодромный потенциал (ОП) в ОЛ щуки, типичного представителя мик-
Таблица 2. Влияние холинергических веществ на импульсную активность в обонятельном тракте карпа и карася
Вид Вещество с, мкМ г, мин А В
Карась прозерин 0.01 20 +75 + 120
1.00 20 0 -90
ареколин 0.10 20 +78 +190
1.00 20 0 -100
Карп тропацин 10 10 +50 +150
10 25 -60 -100
Примечание: с - концентрация, г - время, А - изменение спонтанной активности в ОТ (% от контроля), В - изменение реакций в ОТ на й,/-серин (% от контроля).
росматов [3, 5, 12]. Сопоставление этих показателей, на наш взгляд, приемлемо, поскольку каждый из них в определенной мере характеризует уровень активности вторичных нейронов ОЛ. Напомним, что в состав ОТ помимо аксонов митральных клеток и центробежных волокон входят и аксоны клеток переднего обонятельного ядра. Тем не менее, импульсная активность в ОТ традиционно используется как показатель функционального состояния митральных клеток. ОП регистрируется с поверхности ОЛ в ответ на электрическую стимуляцию обонятельного нерва одиночным прямоугольным импульсом. Развитие компонентов ОП отражает последовательное возбуждение структурных элементов луковицы. Амплитуда ОП определяется величиной основного негативного компонента, которому соответствует распространение возбуждения в митральных клетках.
Результаты показали, что ответы вторичных нейронов ОЛ на действие холинергических веществ у всех исследованных видов рыб отличаются большой продолжительностью и разнообразием. Так, изменения, вызываемые антихолинэстеразными веществами и гемихолинием-3, ингибитором синтеза АХ, сохраняются не менее 10-15 мин, а в некоторых случаях и дольше (табл. 2 и 3). Кроме того, в ОЛ карася обнаружены фазные пролонгированные ответы митральных клеток на антагонист холинорецепторов тропацин, а у щуки - на алло-
Таблица 3. Влияние холинергических веществ на амплитуду ортодромного потенциала в обонятельной луковице щуки (х - изменение амплитуды ОП (% от контроля))
Вещество с г, мин х
Эзерин 0.1 нМ 30 -46
0.1 мкМ 30 -55
Гемихолиний-3 100 мкМ 30 +30
Галламин 10 мкМ 10 +15
10 мкМ 20 -25
стерическ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.