Введение к работе
Актуальность проблема. Познание основ функционирования биологических систем в неадекватних н экстремальных условиях среды, их адаптивных возможностей, а текг.е поломов адаптации, приводящих к патологии - насущное требование современности. В век научп-г-техничсской революции, урбанизации, смена экологических условий, усиленно": мигрз-дки населения, проблема адаптации организг/л к изменяющимся условия:.: Питания, к стрессовым ситуация:.: приобретает первостепенное значение 1С только в фундаментальных и теоретических исследованиях, .но и для эбеспечекия потребностей практики.
Одни.'.'; из частных факторов внешней среды, который оказывает существенное влияние на кпвоП организм, изменяя в нем течение физиологн-еских и биохимических процессов, является низкая температура. Ак- . 'уалыюсть проблемы адаптации к холоду и повышения устойчивости к ювторным и длительны;,: переохлаждениям несомненна и традпционка для :ногнх сфер человеческой деятельности (пребывание в условиях высоко-'орья и Севера, воздухо- и мореплавание, изыскательные работы и '.д.). Об:дее хэлодовое воздействие в зависимости от его интененвнос-'и и продолжительности «окот явиться неблагоприятным фактором, на-увгаящим нормальное функционирование организма, его работоспособность и сопротивляемость экстремальным раздражителям, вызывающим хо-одовое повреждение организма и даже его гибель.
Имевшаяся обширная литература посвящена в основном фнзиологичес-ому и патофизиологическому анализу механизмов формирования адапта-::'/. к низким температурам, вопросам; теплообразования и регуляции епла з организме з целом ( К.П.Иванов,1972,1984,1990; Майстрах-Е,В., S75;. Б.ЗЛаскнн,1975,1984; Н.В.Гурин.ІЗЄО; В.И.Казначеев,1980; К.Баженов,1981; Ф.З.Меерсон,1981,1986; М.А.Якименко,1984; Huttunen, 962;соозілз ,1963; Prosser, 1987; cossins , Sowlcr, 1987 и p.).
Что касается биохимических аспектов этея. проблемы, то они иссле-ова;гы значительно меньпе и многие вопроси остаются невыясненными, то же время одним из важнейших условий приспособления организма постоянному или многократному действию холода является перестрой-а метаболизма, обеспечивающая новый уровень регуляции жизненных дикций. В формировании такой адаптации к изменяющимся факторам чешней среда и поддержании температурного гомеостаза у теплокровне организмов важнейшая роль принадлежит ЦНС (А.Д.Слоним,1971,1984, 386; К.П.Иванов,1972,1984; С.Х.Хайдарлиу,1984,1989; Н.А.Барбараш,
Г.Я.Двурєченская,І986; Ю.И.Баженов, Л.Р.Михайлова,1990; Me-Ilwair 1971; 31ieh ,1979; Boulaat et alj I989;yyers , Lee ,1989 и
др.).
С другой стороны, исследование биохимических основ функциональной деятельности мозга в различных условиях существования относится к фундаментальным проблемам современной биологии. Особую актуальность этим исследованиям придают такие социальные факторы настоящего времени, как резкое повышение его интенсивности,, производственная деятельность в сложных, порой экстремальных условиях. Ъсеэто выдвигает важнейшую проблему - изучение условий оптимальной функциональной активности мозга, поиски путей повышения его работоспособности.
Всесторонние исследования показали, что деятельность головного мозга во многом определяется наличием углеводных ресурсов и интенсивностью углеводного обмена, т.к. специфические процессы, лежащие в основе деятельности .ЦНС, требуют значительных энергетических трат. Однако литературные сведения об углеводном и энергетическом обмене головного мозга при многократных охлаждениях и длительном действии холода немногочисленны и часто противоречивы (А.И.Щеглова,1969; Л.А.Исаакян,1972; В.ВЛаскин.1975; Н.П.Ларионов И др.,1979; С.П.Львова, 1986; Салаку ,1963;' Blakor ,.1.'оз cattelli ,1978). связи с этим изучение различных сторон метаболизма углеводов и биоэнергетики мозга при действии многократных переохлаждений может внести значительный вклад в формирование представлений о молекулярных механизмах холодовой адаптации и выявить функциональную значимость отдельных звеньев угле водного и энергетического обмена, участвующих' в ответной реакции организма на одно- и многократные переохлаждения, а также постоянное длительное.действие низких температур..
Цель и задачи исследования. В-работе поставлена цель - исследовать различные стороны углеводного и энергетического обмена головного мозга при .одно- и многократных переохлаждениях, выяснить особенности ультраструктурної и функциональной перестройки митохондрии головного мозга, установить биохимические основы функционирования головного мезга в условиях адаптации к такому стресс-агенту, как острое переохлаждение. ,,
Дай репенпя этих вопросов были.поставлены-следующие задачи:
I. Изучить содержание основных энергетических субстратов кіозга .(глюкозы, гликогена и его фракций), а также исследовать
іктивности пусковых ферментов их превращений (амилазы, фосфорила-1Ы, гексокиназы, фосфоглюкомутазы) в динамике повторных переохлаж-іекий.
2. Охарактеризовать различные пути превращения углеводов в
юзге в процессе его адаптивной перестройки:
анаэробный и аэробный гликолиз; дыхание;
пентозофосфатный путь; . глюкуронатный цикл.'
3. Исследовать активности окислительных ферментов цикла Креб-г
:а (изоцитратде.гидрогеназы, <х- кетоглутаратдегидрогеназы, сукци-
іатдегидрогенази, малатдегидрогеказы), а таюхе пируватдегидроге-
1ЭЗЫ.
-
Ъыяснлть метаболические взаимоотношения в системе аденин-іуклеотидн-кр"еатинфосфат при формировании резистентности к переохлаждениям.
-
Оценить состояние митохондрий нейронов коры головного моз-а при многократных переохлавденикх. Сопоставить данные биохими-іеских и морфологических исследований и связать особенности строе-шя митохондркального аппарата с изменениями биоэнергетики в ус-ювиях формирования адаптации к переохлаждениям.
-
Сопоставить особенности энергетических процессов в голов-юм мозгу при многократных острых охлаждениях с особенностями метаболизма у животных, длительно находившихся на холоду.
-
Выяснить возможности корригирующих влияний мочевины при >стрых охлаждениях.
Для ресения поставленных задач использовали комплексный под-:од, включающий анализ активности ферментов, динамику метаболи-'ов, исследование ультраструктурной организации нейронов коры головного мозга при действии одно- ' и многократных переохлаждений.
Научная новизна. Впервые'проведено углубленное исследование :азличных сторон углеводного и энергетического обмена головного :озга при одно- и многократных охлаждениях, а тагске ультраструк-уркой организации нейронов, включая морфометрический анализ по-[ученных электронограмм,-
Установлено, что характер метаболического ответа головного юзга у адаптированных животных на новое действие холодового раз-[ражителя.существенно отличается от интактных животных.
Установлены различия з путях превращения и использовании глю-юзы и различных форм гликогена в головном мозге при одно- "и
многократных переохлаждениях. Показано, что адаптивная перестройка метаболизма углеводов головного мозга направлена на активацию путей, обеспечивающих образование фосфорилироьа.чной глюкозы. Установлено, что мозг многократноохла;кденных крыс обладает более мощной системол ресинтеза ЛЧФ. L-то обеспечивается возрастанием активности дегидрогеназ ЦТК. Своеобразием отличается и реакция адаптированных животных на охлаждение: у впервые охлажденных крыс при температуре I9-a2GC основным субстратом окисления является янтарная кислота, а у адаптированных значительная роль принадлежит <*-- кетоглютарату.
Впервые установлено, что при действии переохлаждений адаптивная перестройка митохондрии" мозга связана:
с увеличением активной поверхности митохондрий, проявляющейся в резком возрастании количества мито/ондриальных крист;
с появлением новой популяции митохондрий, устойчивой к действию низких температур;
с происходящей трансформацией одних фракций" митохондрий в другие с перераспределением количества митохондриальных фракций в суммарной митохондриалыюй взвеси. Перераспределение идет в сторону тех фракций, которые в процессе изменения функционального состояния мозга оказались наиболее лабильными и наиболее активно реагируют на действие раздражителя, впервые показано, что в результате морфо-функционалышх изменений в тканях головного мозга адаптированных животных устанавливается новый уровень метаболизма митохондрий с характерными особенностями его регуляции,обеспечивающими приспособление клеток к изменившимся условиям существования. Полученные данные свидетельствуют о компенсаторних и приспособительных возможностях митохондрий мозга. Обнаружены специфические особенности ультраструктурний и метаболической перестройки митохондрий, характерные для ткани мозга.
Впервые установлена активация в головном мозге окислительного фермента глюкуронатного цикла - УДФ-глюкозодегидрогеназы на этапах охлаждения контрольных и адаптированных животных.
Раскрыты ранее неизвестные механизмы положительного влияния естественного метаболита - мочевины - на энергетический обмен и ультраструктуру нейронов коры головного мозга при глубоком переохлаждении. Парентеральное введение мочевины предупреждает значительные' метаболические и ультраструктурные изменения в тканях 'мозга"при гипотермии.
Сравнительное изучение важнейгткх показателей Энергетического
5г/ена при 'многократных переохлаждениях (прерывная адаптация) и
зпрерывном длительном действии холода, позволило впервие показать
інонапразленность, однотипность ответа головного мозга на указан
ие воздействия. ,
Основные положения диссертации» выносимые .на зашиту.
" І. З результате многократных переохлаждений происходит направ-знная перестройка углеводного и энергетического обмена головного >зга,.касающаяся, -с одной стороны, регенерации и использования іергки, а с другой - изменения активности и взаимоотношений ос-)вных путей метаболизма углеводов - гликолиза, дыхания, пентозо->сфатного и глхжуронатного циклов..
-
Процесс адаптации к переохлаждения:/; характеризуется морфо-'нкциональными изменениями митохондрий нейронов коры головного ізга с появлением новой популяции митохондрий, устойчивой к ново- действию холода. Происходят качественные и количественные изменил в состоянии отдельных митохопдриальных фракций, их ультра-руктуре и биохимических параметрах.
-
У адаптированных животных увеличивается мощность систем :ергообеспечения ткани мозга.и эффективность использования основ-х энергетических субстратов.
-
Парентеральное введение мочевины при переохлаждении оказы-ет йещитный эффект, предупреждая развитие изменений в ультра-руктуре и функциональном состоянии митохондрий мозга.
Теоретическое и практическое значение, диссертация предстаз-ет собой фундаментальное экспериментальное исследование различ-х сторон углеводного и энергетического обмена головного мозга экстремальны.-: условиях существования /повторные переохлаждения длительное действие холода/, определяющих функциональную дея-льность головного мозга и его компенсаторно-приспособительные зможноста в этих условиях.
Полученные данные расширяют представление об общих механизмах зкции организма на экстремальные воздействия и возможности фор-розания устойчивости к ним.
Разработаны теоретические основы для прикладных исследований іравленной фармакологической регуляции углеводного и энергети-жого обмена головного мозга в экстремальных условиях и в прочее формирования резистентности к стрессорным воздействиям.
Обосновано положение о том, что адаптивную .перестройку метабо-іеских процессов следует изучать при действии физиологического
&
«<
&
о отделения Всесоюзного общества биохимиков (1988) и др.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 00 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 359 границах машинописного текста, включает 26 рисунков, 41 таблиц}', остоит из введения, описания материалов и методов исследовани?';, глав изложения полученных результатов исследования, заключения, вводов, списка литературы. Список литературы включает 722 ссылки, з них 406 отечественных и 316 работ зарубежных авторов.