БИОХИМИЯ, 2014, том 79, вып. 6, с. 619 - 632
УДК 57.034:577.217.5+57.085.23
ОКОЛОЧАСОВЫЕ МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ РИТМЫ
Обзор © 2014 В.Я. Бродский
Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, 117808 Москва, ул. Вавилова, 26; электронная почта: brodsky.idb@bk.ru
Поступила в редакцию 27.11.13 После доработки 30.12.13
Представлены данные о метаболических ритмах с периодами, близкими часу (от 20 до 120 мин), их распространении, биохимических механизмах организации, природе, значении для клеточных и органных адапта-ций, изменениях при старении. Околочасовые ритмы (ОР) обнаружены для массы и размеров клеток, интенсивности синтеза белка, активности ферментов, концентрации гормонов и АТФ, дыхания клеток, рН цитоплазмы. ОР выявлены у бактерий, дрожжей, некоторых других одноклеточных и многих клеток позвоночных, включая млекопитающих in vivo и in vitro. В клеточной популяции ритмы организуются прямыми межклеточными взаимодействиями. Механизм синхронизации включает мембранные сигнальные факторы организации и дезорганизации ОР и цитоплазматические процессы, приводящие к синхронизации индивидуальных колебаний метаболизма; ключевой фактор согласования колебаний синтеза белка и активности ферментов — фосфорилирование белков. Обсуждается фрактальная природа ОР и данные об их участии в клеточных и органных адаптациях. Отмечены изменения межклеточной кооперации и, соответственно, ОР при старении. Предсказана и экспериментально показана возможность влияний на межклеточную среду, компенсирующих возрастные изменения. Обсуждаются перспективы изучения состава межклеточных сред и свойств рецепторов сигнальных факторов ОР в онтогенезе, особенно, при старении, а также в разных случаях патологии. Одна из перспектив — уточнение понятия биохимической и физиологической нормы с целью нормализации клеточных функций.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: метаболические ритмы, синтез белка, активность ферментов, биохимия прямых межклеточных взаимодействий, фракталы, старение.
Околочасовые ритмы обнаружили случайно. В конце 1950-х гг. необходимо было определить точность нового в то время метода микроинтерферометрии. Этот метод позволял оценить сухой вес отдельной клетки, фактически, общее содержание клеточных белков. Тогда считали, что масса белков в зрелых клетках стабильна, по меньшей мере, в течение нескольких дней. Измеряя массу ганглиозных клеток сетчатки с 10-мин интервалами в течение часа, ожидали найти среднюю прямую линию с отклонениями проб выше и ниже, что характеризовало бы погрешность измерений. Но наблюдали купол. После многократных повторений измерили белки тех же клеток с помощью ультрафиолетовой цитофотометрии в зоне поглощения УФ лучей белками (280 нм). Вновь нашли купол, причем кривые сухого веса и УФ поглощения белков совпали [1]. Позже, продлив измерения клеток сетчатки и слюнной железы до 2—3 ч, нашли колебания сухого веса клеток сетчатки и слюнной железы с периодами от 20 до 90 мин (рис. 1). За-
тем появились данные о таких же по периодам колебаний размеров некоторых живых клеток и первые наблюдения околочасовых колебаний активности ферментов. К началу 1970-х гг. в исследованиях кинетики синтеза белка также обнаружили колебания [2, 3]. Был опубликован первый обзор, рассматривающий колебания различных свойств клеток с периодами, близкими часу [4]. Появилось название «околочасовые (сисаИогаИап) ритмы», хотя, строго говоря, понятие «ритм» для таких колебаний не корректно. В отличие от привычного в физике ритма маятника, околочасовые колебания нерегулярны по периодам. Но то же относится ко всем биологическим ритмам, где термин «ритм» обычен. В западной литературе околочасовые ритмы позже назвали «ультрадианными» (икгаШап), и это название прижилось шире околочасовых.
Основные современные сведения об околочасовых, или ультрадианных ритмах содержатся в двух книгах — сборниках монографических обзоров, опубликованных издательством 8рп^ег-
Verlag в 1992 и 2008 гг. [5, 6]. Собранная в них и опубликованная позднее литература насчитывает сотни названий.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ОКОЛОЧАСОВЫХ РИТМОВ (ОР)
Условиями для выявления ОР являются малые промежутки между пробами (оптимально 10 мин) и разумная продолжительность взятия проб, не менее 1,5—2 ч. В единичных исследованиях ОР определены в одной живой клетке. Так, при наблюдении изолированного нейрона меха-норецептора рака в УФ микроскопе [7] в зоне поглощения лучей белками (280 нм) увидели усиления и ослабления поглощения с промежутками 20—30 мин (рис. 2); цитофотометрия подтвердила визуальные впечатления. ОР нашли и при измерении рН в единичной живой клетке культуры СНС [8]. Также исследование окраски живых гепатоцитов родамином 123 выявили ОР [9]. Родамин, как известно, является индикатором разности электрических потенциалов на внутренней митохондриальной мембране [10]. В сотнях других работ определяли средние цифры по многим тысячам клеток в пробе — клеточной культуре, срезе органа или целом органе — по десяткам проб в кинетической кривой, и в этом случае существенна синхронизация состояния клеток (о приемах синхронизации см. далее).
К первым данным об ОР белковой массы ганглиозных клеток сетчатки лягушки, цыпленка и мыши [2] были добавлены данные о таких же ритмах в слюнной железе крысы (3), у почвенных амеб и дрожжей [11—13] и в трансформированных клетках [14]. Кроме суммарной массы белков, обнаружен ОР альбуминов в ге-патоцитах мыши [15]. ОР нашли в двух идентифицированных белках, фосфорилированных при синхронизации трансформированных клеток [14]. Интересны наблюдения колебаний концентрации многофункционального белка р53 [16—18], влияющего на пролиферацию и дифференцировку.
Данные о ритме массы и концентрации белков внушают сомнение в распространенной практике выражать разные параметры метаболизма (активность ферментов, содержание гормонов и т.д.) относительно к концентрации белков в той же культуре или в срезе органа. Предполагается, что белок стабилен, и отношение может нивелировать различия в числе клеток в образце. Однако концентрация белка колеблется, и случайное попадание на максимум или минимум ритма может составить разницу в отно-
шении в 30—50%. Поправка на белок возможна для средних величин.
В некоторых случаях с околочасовыми периодами пульсируют размеры клеток, что обнаружили как в нормальных, так и в опухолевых клетках [19—23]. Изменения размеров, особенно при изучении живых клеток, необязательно связаны с колебаниями белковой массы, а, например, с транспортом воды.
ОР синтеза белка (рис. 3) обнаружены во всех изученных клетках от бактерий до млекопитающих, у последних — в нейронах, различных железистых и покровных клетках [4, 24, 25]. Интенсивность синтеза в наших работах выражена как включение 3Н-лейцина относительно пула меченого лейцина в той же культуре, что позволяет нормализовать как вариабильность пула, так и различия в числе клеток в разных культурах. Бойков нашел ОР аминоацилирования
Время, мин
Рис. 1. Изменения сухого веса (микроинтерферометрия, СЕ — сравнимые единицы [1, 3]) ацинарных клеток околоушной слюнной железы крыс Вистар. Пищеварительная система крыс синхронизирована 12-ч голоданием с последующими кормлениями с 3-ч интервалами (прямая линия — средний уровень сухого веса клеток для всего опыта, пунктирные линии ± ошибка этой средней; по материалам [3, 4]). Сравните с рис. 3, где показан ритм синтеза белка в культурах гепатоцитов, выделенных от одной крысы
тРНК [26]. Ритм аминоацилирования сочетался с ОР синтеза белка в гепатоцитах [27]. Принципиально важно определение Бойковым ОР синтеза белка в бесклеточной системе.
Все наши опыты проводили в оригинальной бессывороточной среде; сыворотка крови, как известно, содержит многие активные факторы, которые могут влиять на состояние клеток.
ОР активности ферментов столь же повсеместны, как ритм синтеза белка. Так, у различных бактерий нашли ОР галактозидазы, щелочной фосфатазы, сахаразы, гистидиндегидрогеназы, орнитинтранскарбамидазы [28—30]. У различных одноклеточных и дрожжей обнаружили ОР амидазы, каталазы, тирозинаминотрансферазы, глюкозидазы, АТФазы [31—35]. В дробящейся икре морского ежа найдены ОР протеаз и АТФазы [36, 37], а в срезах слюнной железы крысы ОР орнитиндекарбоксилазы [38]. Особо нужно отметить данные об околочасовых и более коротких ритмах ферментов фосфорилиро-вания-дефосфорилирования белков, исследованных в лаборатории Д. Гилберта и К. Хэм-
монд [39—44]. В наших работах показано (см. далее), что фосфорилирование белков — ключевой процесс синхронизации клеточных популяций в результате прямых межклеточных взаимодействий.
В дыхании клеток также обнаружены ОР. Основные данные получены Ллойдом и др. [13, 32, 34, 45—47]. Объекты исследования — дрожжи, почвенные амебы, тетрахимена. Выявлена температурная компенсация колебаний, их сохранение при заметных изменениях температуры среды. У дрожжей и почвенных амеб обнаружен ОР концентрации АТФ. Такой ритм нашли и в культурах гепатоцитов крысы [27].
Литинская и др. [48, 49] обнаружили ОР рН цитоплазмы клеток разных культур. Повторяющиеся изменения рН могут влиять на все клеточные ОР, хотя и не являются пейсмекером колебаний [49]; после значительных изменений рН в эксперименте ритм синтеза белка сохранялся, изменялся лишь средний его уровень.
ОР концентрации гормонов распространены у млекопитающих, включая и человека.
Рис. 2. Поглощение УФ-лучей (280 нм) живым нейроном механорецептора рака в течение 90 мин и одновременное измерение интенсивности поглощения (УФ-цитофотометрия) в той же клетке. Скомпоновано по данным [7]
Время, мин
Рис. 3. Пример изменений интенсивности синтеза белка (включение 3Н-лейцина относительно к пулу лейцина [73]) в плотных культурах гепатоцитов, выделенных от крысы Вистар (3-мес, 350 г). Каждая точка времени — три культуры, каждая исследована отдельно. Средняя прямая линия — средний уровень синтеза белка в культурах всего опыта, пунктирные линии ± ошибка этой средней
Пробы обычно берут из сыворотки крови. Ритм гормонов в плазме крови может определяться ритмической секрецией клеток-продуцентов [50]. Другая возможность — неравно
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.