УДК 577.125
ЛИПИДЫ В ГИБЕРНАЦИИ И ИСКУССТВЕННОМ ГИПОБИОЗЕ МЛЕКОПИТАЮЩИХ
Обзор
© 2011 г. И.К. Коломийцева
Учреждение РАН Институт биофизики клетки РАН, 142290, Пущино Московской обл., ул. Институтская, 3; факс: (496)733-0509, электронная почта: kolomiytseviskra@rambler.ru
Поступила в редакцию 23.03.11 После доработки 27.06.11
Мембранные липиды — фосфолипиды, жирные кислоты и холестерин — участвуют в температурной адаптации эктотермов (бактерии, амфибии, пресмыкающиеся, рыбы), главным образом путем изменения вязкости мембран, которая обусловлена степенью ненасыщенности жирных кислот, соотношения холесте-рин/фосфолипиды и фосфолипидного состава. Исследования температурной адаптации эндотермов (млекопитающие и птицы) показывают регуляторную роль липидов в гибернации. Холестерин и жирные кислоты определяют параметры спячки, имеют значение в экспрессии генов и активности ферментов липидного обмена. Некоторые изменения метаболизма липидов при искусственном и естественном гипобиозе — увеличение количества холестерина и жирных кислот в крови, уменьшение содержания холестерина в неокор-тексе — аналогичны наблюдаемым при стрессовых состояниях и совпадают с неспецифическими реакциями млекопитающих на действие агентов окружающей среды. Показано, что искусственный и естественный гипобиоз по разному влияет на липидный состав мембран клеток млекопитающих. В ходе зимней спячки млекопитающих происходят изменения морфологии мембран, в частности, за счет изменений липидного состава. Влияние гипобиоза на липидный состав мембран и клеточных органелл специфично и, по-видимому, определяется ролью липидов в сигнальных системах. Сравнительное исследование метаболизма липидов мембран и органелл при естественном и искусственном гипобиозе перспективно для выяснения механизмов адаптации млекопитающих к низким температурам окружающей среды.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: млекопитающие, гибернация, искусственный гипобиоз, мембраны, липиды.
Основная характеристика живого — это развитие и сохранение структурной организации путем обмена веществом и энергией с окружающей средой. Если интенсивность обмена задается темпом деления и функциями клеток и является генетически обусловленной, то скорость реализации генетической программы зависит от температуры окружающей среды.
Согласно правилу Вант-Гоффа — Аррениуса, понижение температуры на 10° приводит к уменьшению интенсивности обмена примерно в 2—2,5 раза. Эта зависимость характеризуется температурным коэффициентом р10. Организмы, температура тела которых зависит от температуры окружающей среды, называют пойкило-термными или эктотермными. Гомойотермные (эндотермные) организмы (млекопитающие и птицы) отличаются способностью поддерживать температуру тела в диапазоне 35—42° (в определенных пределах температуры окружающей среды). Возникновение гомойотермии, по всей видимости, обусловлено приспособлением орга-
низмов к существованию в широком диапазоне температур окружающей среды, обеспечившее развитие особых свойств нервной системы [1].
Липиды являются структурными и функциональными компонентами клеток, поскольку составляют основу биологических мембран и участвуют в липид-зависимых сигнальных системах. Предполагают важную роль липидов в механизмах температурной адаптации, поскольку показано значение липидов в физико-химических и функциональных свойствах биологических мембран и регуляции метаболизма.
Фазовые переходы в липидах и температурная адаптация. Основу биологических мембран составляют фосфолипидные бислои с включенными в них молекулами стеринов и интегральных белков. Различают два зависящих от температуры физических состояния фосфолипидного бислоя: гель (твердая фаза) и жидкокристаллическое состояние (жидкая фаза). При изменении температуры происходят фазовые переходы различного рода. На модельных мембранах по-
1604
казано, что температура фазового перехода зависит от состава липидов, рН среды, концентрации кальция в среде, электрического напряжения на мембране и других факторов. Фазовым переходам (гель — жидкокристаллическое состояние) придается очень большое значение в биологической функции мембран [2—4].
Выявлена высокая вариабельность липидно-го состава бактерий в зависимости от состава среды, и увеличение доли ненасыщенных жирных кислот у тех видов бактерий, которые распространены на северных территориях. У эктотерм-ных организмов (рыб и гельминтов) показана зависимость степени ненасыщенности жирных кислот фосфолипидов от температурного режима среды обитания. Температурный режим является основным фактором изменения липид-ного состава и спектра жирных кислот тканей эктотермных организмов. В то же время установлено участие фосфолипидов, холестерина и полиненасыщенных жирных кислот в сезонных и функциональных изменениях жизнедеятельности. Результаты рассматриваются с позиции роли липидов в модификации структуры мембран при температурной адаптации эктотермов [5].
Таким образом, фазовым переходам в липи-дах приписывают важнейшую роль в адаптации живых систем к температурному режиму среды обитания и возникновении гомойотермии. Механизмы регуляции температуры тела млекопитающего включаются при изменении температуры гипоталамуса на величину порядка нескольких сотых долей градуса. Зависимость от таких малых изменений температуры изо всех участников метаболизма известна только для температуры фазовых переходов гель — жидкий кристалл в липидной мембране [5]. Полагают, что необходимость поддержания определенного интервала значений температуры для осуществления функциональной роли фазовых переходов липидов могла обусловить появление теплокровности [2, 4].
Природные гипометаболические состояния — способность к обратимому подавлению скорости обмена веществ и сохранению жизнеспособности при длительном существовании в интервале температур до —2° без пищи и воды — свойственны некоторым видам гомойотермов и остаются загадочным фундаментальным явлением.
Биология спячки и искусственного гипобиоза млекопитающих. При неблагоприятных условиях внешней среды (холод, отсутствие пищи) ряд млекопитающих способны периодически погружаться в естественное гипометаболическое состояние в форме баута гибернации. В ходе ги-бернации происходит циклическое понижение температуры тела и уменьшение энергопотреб-
ления, чередующееся с возвращением к норме. Длительность и глубина оцепенения и время активного состояния в ходе баута гибернации различны для разных видов животных и условий среды. Величина коэффициента Q10 для разных тканей млекопитающих различна: например, коэффициент Q10 интенсивности дыхания у мышей уменьшался в ряду: мозг—сердце—печень—скелетная мускулатура [1]. Метаболизм мозга наиболее чувствителен к снижению температуры (по наибольшей величине Q10) и практически не участвует в продукции тепла при гипотермии [6].
У сусликов Spermophilus undulates в ходе ги-бернационного баута температура тела снижается с 37—38° (активное состояние) до 2—4° (оцепенение), частота сердцебиений уменьшается до 3—5 уд/мин (при норме 200—300 уд/мин) [7, 8], резко снижается количество дыхательных движений — до 4—6 вместо 100—200 в мин [9]. Потребление О2 и энергии у спящих животных снижается в 100 раз — от 0,2 кал/(г • мин-1) у активных сусликов до 0,002 кал/(г • мин-1) при оцепенении [8-10]. Экономия энергии при спячке составляет 80% [11, 12]. Суслики способны выдерживать понижение температуры тела во время спячки до -2° [7]. В термогенезе зимо-спящих важную роль играет разобщение окислительного фосфорилирования в митохондриях специфическими белками - разобщителями. При этом большая часть теплопродукции приходиться на бурую жировую ткань [6]. Гибернация контролируется ЦНС с включением эндокринных систем и внутриклеточной регуляции [13].
Млекопитающие, неспособные к гиберна-ции, при помощи фармакологических средств и снижения температуры окружающей среды могут быть введены в состояние гипобиоза, так называемого «холодового наркоза». Электрическая активность мозга снижается, с некоторыми особенностями повторяя ее падение при естественном гипобиозе. Температура тела, после которой возможно самостоятельное возвращение к жизни при согревании, для большинства этих млекопитающих находится в пределах 15-23°. Снижение энергопотребления (в 6-7 раз) при искусственном гипобиозе более чем на порядок меньше, чем при спячке в ходе баута гибернации [14].
При охлаждении по Джаю животных помещают в закрытый сосуд и охлаждают при температуре 4° в условиях нарастающей гипоксии и гиперкапнии, моделируя условия норы зимо-спящих [15]. Температура тела крысы за 3,5-4 ч снижается до 14-23° (дальнейшее снижение температуры тела ведет к гибели). После извлечения из камеры животное некоторое время находится в состоянии гипобиоза, затем самостоя-
тельно возвращается к нормотермии и далее не обнаруживает отклонений от нормы. Условия длительного искусственного гипобиоза млекопитающих требуют особых подходов, подробно описанных в монографии Н.Н. Тимофеева [16]. Таким образом, искусственный гипобиоз, при охлаждении млекопитающих по методу Джая, протекает при температурах, на 15— 20° превышающих температуру спячки баута гибернации зимоспящих. Следует подчеркнуть, что угнетение энергетического метаболизма при «холодо-вом наркозе» на порядок меньше, чем при оцепенении в ходе баута гибернации. Сравнительное исследование механизмов холодового наркоза и гибернации млекопитающих лежит в области интересов фундаментальной физиологии, космической биологии и практической медицины.
Сезонные и функциональные изменения липи-дов органов и тканей зимоспящих млекопитающих. Весь годовой цикл процесса гибернации находится под генетическим контролем [11]. Существует годовой цикл накопления липидов, преимущественно триглицеридов. Сезонное накопление липидов (летом и ранней осенью) у некоторых гибернантов наблюдали даже в условиях резкого ограничения доступа к пище. В период гибернации у зимоспящих млекопитающих в качестве источника энергии взамен глюкозы используются липиды, в основном, жирные кислоты, образующиеся за счет липолиза триглицеридов [17]. Липиды входят в состав разнообр
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.