ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА, 2010, том 36, № 5, с. 121-139
ОБЗОРЫ
УДК 612.83
ГОМЕОСТАТИЧЕСКИЙ НЕСОКРАТИТЕЛЬНЫЙ ТЕРМОГЕНЕЗ У ЧЕЛОВЕКА: ФАКТЫ И ГИПОТЕЗЫ
© 2010 г. В. Д. Сонькин1, 2, А. А. Кирдин3, Р. С. Андреев2, 3, Е. Б. Акимов2, 3
Институт возрастной физиологии РАО, Москва 2Российский государственный университет физической культуры, спорта и туризма, Москва 3Всероссийский НИИ физической культуры, Москва Поступила в редакцию 12.05.2010 г.
Рассматривается современное состояние исследований различных форм несократительного термо-генеза, связанного с поддержанием температурного и субстратного гомеостаза. Предложен термин "гомеостатический несократительный термогенез" (ГНСТ) для обозначения факультативной теплопродукции, вызванной Холодовыми воздействиями, поступлением в организм пищи и накоплением молочной кислоты в результате мышечной работы. Рассмотрены сходства и различия физиологических проявлений трех видов ГНСТ, причем наличие целого ряда общих черт и параллелизмов позволяет предполагать общность физиологических механизмов их осуществления. Среди тканей-претендентов на локализацию ГНСТ бурая жировая ткань (БЖТ) обладает тем неоспоримым преимуществом, что такая функция является для нее специфической. Имеются данные о тесной взаимосвязи между термогенной функцией при холодовых воздействиях и пищевым термогенезом, что позволяет связать оба проявления ГНСТ с БЖТ. Представлены данные, косвенно свидетельствующие в пользу предположения об участии БЖТ в нормализации внутренней среды в ситуациях, не связанных с охлаждением или поступлением пищи. Рассмотрены новые данные о наличии и функциональной активности БЖТ у взрослого человека, его топографическом распределении по организму, механизмах возникновения разобщенного окисления в ряде тканей, а также способах диагностики БЖТ, в том числе с использованием молекулярных маркеров. Приводится целый ряд фактов в поддержку высказанного авторами ранее предположения, что активность БЖТ может иметь отношение к нормализации состояния внутренней среды после физической нагрузки. Предложен проект программы экспериментальных исследований для проверки гипотезы об универсальной го-меостатической функции БЖТ у человека.
Ключевые слова: несократительный термогенез, бурая жировая ткань, холодовые воздействия, пищевой термогенез, напряженная физическая нагрузка, разобщающие белки, гомеостаз.
Термогенез, то есть образование и выделение тепла, происходит в организме главным образом в трех видах биохимических циклов: 1) ресинтеза мак-роэргических связей аденозин—три—фосфата (АТФ) и других энергозапасающих молекул; 2) гидролиза АТФ и других макроэргических соединений; 3) ми-тохондриального транспорта электронов без образования макроэргических соединений.
В двух первых случаях высвобождающееся тепло является побочным продуктом химических реакций, тогда как в третьем случае тепло является единственным термодинамическим результатом. Между скоростью образования АТФ и его распада в функционирующей клетке устанавливается жесткое согласование, которое контролируется через уровень энергетического потенциала [1], тогда как скорость протекания реакций по третьему пути лимитирована только мощностью окислительной системы митохондрий и доступностью субстратов [2]. Процессы, осуществляемые в двух первых случаях, являют-
ся сопряженными, и в ходе их осуществления органы и ткани организма выполняют какую-то функцию, то есть производят внутреннюю или внешнюю работу. В третьем случае разобщение окисления и фосфорилирования приводит к тому, что видимая работа не производится, если не считать изменений теплового состояния организма [3—5].
Биологический смысл термогенеза 1 и 2 рода — это "плата" за возможность осуществлять любую функцию, то есть издержки, неизбежные при осуществлении любого термодинамически значимого процесса, приводящие к снижению энергетической эффективности системы в соответствии с законом нарастания энтропии [6].
Биологический смысл термогенеза 3 рода состоит, прежде всего, в возможности добавочной (факультативной) генерации тепла в целях поддержания температурного гомеостаза гомойотермного организма [7]. Известно, что у млекопитающих эта функция присуща, в первую очередь, специализи-
рованной бурой жировой ткани (БЖТ) [5, 7]. Наряду с этим было показано, что термогенез 3 рода в БЖТ активируется при избытке калорий в пище и служит для нормализации уровня нутриентов в крови после приема пищи, участвуя в контроле массы и состава тела [7—10]. Таким образом, стало ясно, что термогенез 3 рода играет немаловажную роль в поддержании как температурного, так и субстратного гомео-стаза [7, 10].
Наши недавние исследования с использованием инфракрасного тепловизора дали нам основания предположить, что этот же механизм может быть причастен к утилизации лактата после выполнения напряженной мышечной работы [11].
Все эти факты свидетельствуют о необходимости систематического изучения механизмов и форм проявления у человека термогенеза 3 рода, который мы условно назвали "гомеостатический несократительный термогенез" (ГНСТ).
Цель настоящего обзора — представить результаты имеющихся в литературе последних лет исследований по этой проблеме и на этой основе предложить программу дальнейших экспериментальных исследований, которые могут иметь важное значение для различных направлений прикладной физиологии и медицины.
1. Краткая история вопроса
Потенциальная возможность существования разобщенного состояния митохондрий млекопитающих была известна еще 40 лет назад [12], причем почти с самого начала это связывалось с возможностями поддержания температурного гомеостаза без участия сократительной активности скелетных мышц [13]. Было высказано предположение, что такое разобщение может быть следствием активного окисления свободных жирных кислот [14]. В конце концов, из ткани бурого жира и печени были выделены особые митохондрии (так называемые "термосомы"), у которых на внутренней мембране имеется белок "термогенин", который нарушает целостность этой мембраны и препятствует ресинтезу АТФ [15]. В дальнейшем оказалось, что в ряде тканей, и в первую очередь в буром жире, синтезируется особый белок "uncouplingprotein" (UCP1), который, встраиваясь в мембрану митохондрий, приводит к разобщению окисления и фосфорилирования, и тогда вся функциональная активность ткани становится направленной на производство тепла [16, 17]. Вскоре обнаружилось, что аналогичные, хотя и не идентичные, разобщающие белки (UCP2, UCP3 и др.) синтезируются и в клетках других тканей — в печени, мышцах и пр. [18, 19].
Тем временем, физиологические исследования области приложения разобщенного митохондри-ального дыхания привели к накоплению данных о том, что наряду с химической терморегуляцией, эта функция участвует также в формировании специ-
фически-динамического (калоригенного, термогенного) действия пищи [20], причем в обоих случаях роль генератора ГНСТ выполняет БЖТ [21—23]. Между тем, считалось, что у взрослых крупных не-зимоспящих млекопитающих, включая человека, БЖТ отсутствует или встречается крайне редко [24— 26]. Однако в последние годы, с появлением техники позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), применяемой в сочетании с компьютерной томографией (КТ), стало появляться много сообщений о выявлении БЖТ у взрослых здоровых людей [27]. Это стимулировало расширение исследований в области выявления механизмов ГНСТ и их возможной роли в нормализации массы тела на фоне развивающейся во всем цивилизованном мире пандемии избыточного веса и ожирения [28, 29]. Большая часть этих исследований ориентирована на поиск способов "снижения термодинамической эффективности пищи" [30—32], что могло бы позволить, по мнению их авторов, решить проблему ожирения, например, за счет превращения части клеток белого жира в бурые адипоциты [26, 33]. Эта концепция имеет немало сторонников, но имеет и противников [34].
В центре дискуссий остается вопрос о локализации ГНСТ — по мнению одних авторов, эта функция является прерогативой БЖТ [35], тогда как другие считают возможным отнести эту функцию и в другие ткани, где имеются разобщающие белки семейства иСР — мышцы, печень и т.п. [36—38]. На сегодняшний день нет также ясности в том спектре функциональных состояний, при которых может активироваться ГНСТ [5, 31, 39].
2. Виды гомеостатического несократительного термогенеза
Терморегуляторный ГНСТ возникает, когда окружающая температура опускается ниже термонейтральной, а также при некоторых острых локальных холодовых воздействиях.
Общая схема включения механизмов терморегуляции при охлаждении состоит в том, что первоначально включаются механизмы физической терморегуляции (пиломоторная и сосудодвигательные реакции); при их недостаточности и снижении температуры ядра тела на 0.2—0.3°С включается ГНСТ, а если не хватает и этого ресурса, то подключается холодовая дрожь, т.е. сократительный термогенез [40].
В случае острого холодового воздействия ГНСТ активируется в течение нескольких секунд и достигает максимума уже через 1—2 мин после начала хо-лодовой экспозиции [41], и так же быстро инактиви-руется — почти сразу после ее окончания [11]. Успешное поддержание постоянства температуры тела за счет ГНСТ может при умеренном охлаждении продолжаться десятки минут [42]. Активация метаболизма, сопряженная с ГНСТ, может состав-
лять 15—25% от уровня основного обмена [43, 44], а иногда доходить до 50% [42].
Терморегуляторный ГНСТ находится под контролем симпатической нервной системы [45, 46] и катехоламинов — в первую очередь норадреналина [47]. Блокаторы р-рецепторов, используемые в терапевтических дозах, способны практически полностью подавить активацию ГНСТ [48], поскольку клетки БЖТ обладают большим количеством р-ре-цепторов, стимуляция которых как раз и приводит к активации ГНСТ [49]. С возрастом активность БЖТ и терморегуляторного ГНСТ снижается [10, 41], причем это снижение выражено у мужчин сильнее, чем у женщин [10]. Меньшую активность БЖТ отмечают также у людей с более высоким индексом массы тела (ИМТ) [10, 29, 31].
Пищевой ГНСТ проявляется через 20—30 мин после при
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.