НЕИРОХИМИЯ, 2004, том 21, № 2, с. 121-124
УДК 576.311:577.158:612.82.001.8
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЦИТОХРОМОКСИДАЗНОЙ АКТИВНОСТИ ОТ ^БИ-ДЕГИДРОГЕНАЗНОЙ АКТИВНОСТИ В ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ МИТОХОНДРИЙ МОЗГА КРОЛИКА
В ЭКСТРЕМАЛЬНЫй условиях жизнедеятельности организма
© 2004 г. А. Н. Мошкова1*, Е. М. Хватова2, И. А. Русакова1
Нижегородский государственный технический университет 2Нижегородская государственная медицинская академия
Использован математический метод анализа для описания количественной зависимости цитохро-моксидазной активности от КАБН-дегидрогеназной активности дыхательной цепи митохондрий мозга. Рассматривается функция двух аргументов для аппроксимации зависимости между активностями названных ферментов в мозге животных с разной температурой тела в условиях кислородного голодания. Предлагается расчетный способ прогнозирования активности цитохромоксидазы по активности КАБН-дегидрогеназы при гипоксии разной степени тяжести. Установлен характер изменения формы зависимости между активностями этих ферментов в разных экспериментальных ситуациях.
Ключевые слова: ИАйН-дегидрогеназа, цитохромоксидаза, гипоксия, гипотермия.
Проблема гипоксии мозга сохраняет свою актуальность в медицине так же, как и все способы повышения устойчивости мозга к недостатку кислорода. Среди возможных путей предупреждения гипоксических нарушений функции мозга особое место занимает снижение температуры тела. В продолжение наших исследований по математическому анализу зависимости ферментов, объединенных одной функциональной системой [1], в данной работе проведено комплексное исследование активностей ферментов начального и конечного участков дыхательной цепи митохондрий мозга животных. Для описания эмпирической зависимости между цитохромоксидазной активностью и активностью КАБН-дегидрогеназы (КАБН-дг) в условиях кислородного режима у животных с разной температурой тела используется функция двух независимых переменных. По функции, аппроксимирующей зависимость между выбранными показателями, можно расчетным способом прогнозировать активность ЦО дыхательной цепи по активности КАБН-дг.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В экспериментах использовали кроликов-самцов породы "русский великан" весом 2.5-3.0 кг, содержавшихся на обычном режиме вивария. Об-
* Адресат для корреспонденции: 603005 Н. Новгород, ул. Минина, д. 24; тел. (8312)36-63-93; факс: (8312)36-23-11.
щее число экспериментальных животных (~100) было поделено на контрольную и опытную группы. Контрольную группу составляли интактные животные. Исследование интактных животных проводили одновременно с опытными на протяжении всей экспериментальной работы. Экспериментальной моделью служила гипобарическая гипоксия, создаваемая разрежением атмосферного давления в барокамере проточного типа. В опытную группу входили животные с нормальной температурой тела (37°С) и животные в условиях глубокой гипотермии (20°С). Опытные животные находились в атмосфере с разной степенью дефицита кислорода и разной экспозицией: 310 мм рт. ст. (высота 7000 м), 270 мм рт. ст. (высота 8000 м) продолжительностью 60 мин; 230 мм рт. ст. (высота 9000 м) с экспозицией до 10 мин; охлажденные животные - 143.5 мм рт. ст. (высота 11000 м) с экспозицией 60 мин. Митохондрии из митохондриальной фракции головного мозга выделяли методом дифференциального центрифугирования. Концентрацию митохондриального белка определяли по Lowry й а1. [2]. КАБН-цито-хром С оксидоредуктивную активность определяли спектрофотометрически по степени восстановления цитохрома С за счет окисления КАБН [3].
Цитохромоксидазную активность (цитохром С: О2-оксиредуктаза) определяли по скорости восстановленного цитохрома С [4, 5]. Изменение оптической плотности регистрировали в течение 3 мин на спектрофотометре СФ-4А. Для вскрытия
Таблица 1. Активность ЦО, рассчитанная по формуле (3) и экспериментально установленная, в группе животных с разной температурой тела в условиях гипоксии
Температура тела животных, °С Атмосферное давление, мм рт. ст. Экспериментальная активность КАБН-дг, мкмоль цит. С/мг белка/мин Активность ЦО, мкмоль цит. С/мг белка/мин Относительная ошибка формулы, %
эксперимент расчет
37 760 35.0 ± 1.31 (36) 73.7 ± 5.98 (26) 76.37 4.63
310 48.0 ± 3.13 (6) 109.4 ± 5.87 (6) 117.5 7.4
270 18.7 ± 3.03 (6) 40.9 ± 5.87 (6) 41.55 1.58
20 760 32.6 ± 1.70 (15) 61.3 ± 7.29 (20) 56.45 3.03
310 43.9 ± 3.30 (10) 71.9 ± 5.5 (10) 70.81 1.52
270 34.1 ± 1.71 (6) 81.8 ± 8.13 (6) 91.37 11.7
230 35.3 ± 2.06 (8) 71.1 ± 8.62 (8) 67.84 4.6
мембран митохондрий последние фрагментиро-вали 3-кратным замораживанием и оттаиванием. Активность фермента выражали в мкмолях окисленного цитохрома С на мг белка в минуту.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При математической обработке экспериментальных данных обнаружено, что эмпирическая зависимость содержания активности ЦО от активности КАБН-дг достаточно плавная и может аппроксимироваться гладкой функцией из класса элементарных функций, а именно многочленом вида
у(х) = а3х3 + а2х2 + а1х + а0. (1)
Коэффициенты а0, а1, а2, а3 находили методом наименьших квадратов. При анализе значений коэффициентов а0, а1, а2, а3 в каждом конкретном случае разрежения атмосферы установлено, что они в свою очередь являются функциями степени разрежения атмосферного давления Н, имеющей вид
а, = ф, (Н) = (А2), + (Л0)>ео8(п/(Л1)> /Н) (2) (г = 0, 1, 2, 3).
Параметры (А0),, (А1),, (А2), (г = 0, 1, 2, 3) находили интерполяцией. В результате зависимость активности цитохромоксидазы от активности КАБН-дегидрогеназы и разной степени кислородного режима в мозге животных с разной температурой тела (г = 37°С; г = 20°С) описывалось уравнением
у(х, Н) = ф3(Н)х3 + ф2(Н)х2 + ф1(Н)х + ф0(Н), (3)
где функция ф,(Н) рассматривалась в формуле (2) для обеих групп животных; Н - атмосферное давление, мм рт. ст.; х - активность фермента КАБН-де-гидрогеназы в мкмоль цит. С/мг белка/мин; у - активность фермента цитохромоксидазы в мкмоль цит. С/мг белка/мин, соотнесенная к мм рт. ст.
Значения параметров (А0), (А1),, (А2), (г = 0, 1, 2, 3) функций ф,(Н) в зависимости от Н оказались разными в группе животных с г = 37°С и г = 20°С. Адекватность модели (3) поставленной задаче доказывалась расчетом активности ЦО по формуле (3) и сравнением результата с экспериментальной активностью. Аналитически рассчитанные активности ЦО для животных с г = 37°С и г = 20°С существенно не отличались от экспериментальных результатов. Их абсолютные значения укладываются в пределы относительной ошибки формулы [6, 7]. Сравнение этих результатов дано в табл. 1.
Изучая прогностическую способность функции (3) получать расчетным способом активность (у) цитохромоксидазы по известной активности КАБН-дегидрогеназы при нарастающей степени разрежения атмосферного давления, проведен расчет индивидуальных экспериментов при атмосферном давлении 230 мм рт. ст. (г = 37°С) и 143.5 мм рт. ст. (г = 20°С). Значения активности ЦО оказались в этих случаях сравнимы с экспериментальными, и относительная ошибка формулы максимально составляла 11% (табл. 2 и 3). Известно, что при относительной ошибке формулы менее 20% данную функцию можно использовать для описания процесса [7].
Исходя из этого, можно считать, что функция (3) достаточно точно аппроксимирует зависимость между КАБН-дг и ЦО в мозге животных с разной температурой тела при нарастающем дефиците кислорода. Поскольку в формуле (3) при каждом конкретном Н ф0(Н) = а0, ф1(Н) = а1, ф2(Н) = а2, ф3(Н) = а3 и (3) представляет преобразованный многочлен (1) у = а3х3 + а2х2 + а1х + а0, можно проанализировать вид зависимости между КАБН-дг (х) и ЦО (у) в мозге животных с разной температурой тела в условиях гипобарической гипоксии разной степени тяжести. Для этого все величины полинома приведены к безразмерному виду, иначе понятия "малый" и "большой" не имеют смысла. Вид зависимости между КАБН-дг (х) и ЦО (у)
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЦИТОХРОМОКСИДАЗНОЙ АКТИВНОСТИ 123
Таблица 2. Активность ЦО, экспериментально установленная и рассчитанная по формуле (3), в мозге животных с гтела = 37°С в условиях атмосферного давления 230 мм рт. ст.
Экспериментальная активность КАБН-дг, мкмоль цит. С/мг белка/мин Активность цитохромоксидазы, мкмоль цит. С/мг белка/мин Относительная ошибка формулы, %
эксперимент расчет
13.7 36.6 36.4 0.05
39.8 8.04
19.5 37.95 36.4 4.3
39.8 4.65
15.7 31.27 31.2 0.24
28.5 9.73
20.8 40.42 40.3 0.3
39.3 2.84
10.4 31.62 31.2 10.96
28.5
Таблица 3. Активность ЦО, экспериментально установленная и рассчитанная по формуле (3), в мозге охлажденных животных (?тела = 20°С) при атмосферном давлении 143.5 мм рт. ст.
Экспериментальная активность КАБН-дг, мкмоль цит. С/мг белка/мин Активность цитохромоксиназы, мкмоль цит. С/мг белка/мин Относительная ошибка формулы, %
эксперимент расчет
36.4 69.17 70.1 1.8
68.9 0.4
26.8 53.76 58.1 7.48
55.4 2.96
46.8 84.18 88.4 4.75
20.8 75.75 74.4 3.56
27.4 53.53 55.4 3.36
48.3 81.73 88.4 7.55
54.1 52.4 59.3 11.4
дыхательной цепи митохондрий мозга животных с разной температурой тела при нарастающей тяжести кислородного режима указан в табл. 4.
Анализируя форму зависимости между КАБН-дг (х) и ЦО (у), замечаем, что с возрастанием кислородного голодания она не меняется в группе животных с нормальной температурой тела и остается достаточно сложной - кубической -при атмосферном давлении 760, 310, 270, 230 мм рт. ст. Более чувствительна к изменению кислородного режима эта зависимость в группе охлажденных животных. В этом случае зависимость ци-тохромоксидазной активности от КАБН-дегидро-геназной является кубической при атмосферном давлении 760 мм рт. ст., далее действие гипоксии в сочетании с гипотермией изменяет ее до параболического вида (атмосферное давление 310, 270, 230, 143.5 мм рт. ст.).
По мнению многих исследователей [8-11], КАБН-зависимый путь окисления является основным поставщиком восстановительных эквивалентов для энергосинтезирующей функции дыхательной цепи мозга в условиях гипоксии. Исходя из этого, можно предположить, что формирован
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.