Содержание к диссертации
Введение
Глава I. ОСНОВНЫЕ ПУТИ МЕТАБОЛИЗМА УГЛЕВОДОВ В ОРГАНИЗМЕ.. 12
1.1. Общая характеристика основных этапов углеводного обмена. I2
1.2. Особенности обмена углеводов в печени... *
Глава 2. РЕГУЛЯЦИЯ УГЛЕВОДНОГО ОБМЕНА И ЕЕ МЕХАНИЗМЫ 19
2.1. Роль различных отделов центральной нервной системы в регуляции углеводного обмена 19
2.2. Участие" периферических нервов в регуляции обмена углеводов в организме. 24
2.3. Гормональная регуляция углеводного обмена и ее значение
СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Глава 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 39
3.1. Подбор и содержание животных ... 39
3.2. Хирургические вмешательства и фармакологические воздействия... 39
3.3. Методика электростимуляции структур гипоталамуса 43
3.4. Отбор, хранение и обработка биоптатов тканей и проб крови... ^1
3.5. Методы определения активности ферментов обмена когликогена и глюконеогенеза.»
Глава 4. ПОКАЗАТЕЛИ УГЖВОДНОГО ОБМЕНА У КРЫС В РАЗЛИЧНЫХ
УСЛОВИЯХ .ЭКСПЕРИМЕНТА 57
4.1. Содержание глюкозы в крови и показатели углеводного обмена в печени интактных крыс 57
4.2. Исследование возможного влияния гексеналового наркоза, лапаротомии, биопсии печени и других условий эксперимента на углеводный обмен у крыс. 58
Глава 5. УЧАСТИЕ ГИПОТАЛАМО-НЕЙРОГЙПОФИЗАРНОЙ СИСТЕМЫ В РЕГУЛЯЦИИ ОБМЕНА УГЛЕВОДОВ... ... бІ
5.1. Влияние электростимуляции супраоптических ядер гипоталамуса на содержание глюкозы в крови и обмен углеводов в печени
5.2. Исследование участия нейрогипофизарных гормонов в регуляции углеводного обмена...» 64
Глава 6. РОЛЬ СТРУКТУР СРЕДНЕГО ГИПОТАЛАМУСА В МЕХАНИЗМАХ
РЕГУЛЯЦИИ УГЛЕВОДНОГО ОБМЕНА 70
6.1. Изменения уровня гликемии и углеводного обмена в печени при электростимуляции медиальных и латеральных образований среднего гипоталамуса... "О
6.2. Значение нормального функционирования инсулярного аппарата поджелудочной железы для реализации вливший структур среднего гипоталамуса на углеводный обмен. 78
6.3. Гипоталамическая регуляция гликемии в условиях хирургического и фармакологического повреждения печени 38
Глава 7. УЧАСТИЕ СТРУКТУР ЗАДНЕГО ОТДЕЛА ГИПОТАЛАМУСА В
МЕХАНИЗМАХ РЕГУЛЯЦИИ УГЛЕВОДНОГО ОБМЕНА... 98
7.1. Влияние электростимуляции задних гипоталамических и медиальных мамиллярных ядер на содержание сахара в крови и углеводный обмен в печени
7.2. Гормоны коры надпочечников как гуморальное звенопередачи влияний медиальных мамиллярных ядер на углеводный обмен ... 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ , И2
ВЫВОДЫ ІГ7
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ П9
ПРИЛОЖЕНИЯ... *... 155
- Общая характеристика основных этапов углеводного обмена.
- Роль различных отделов центральной нервной системы в регуляции углеводного обмена
- Подбор и содержание животных
- Содержание глюкозы в крови и показатели углеводного обмена в печени интактных крыс
- Влияние электростимуляции супраоптических ядер гипоталамуса на содержание глюкозы в крови и обмен углеводов в печени
Введение к работе
Как известно, основным источником энергии, используемой в организме человека и большинства животных, является ферментативное расщепление глюкозы. При этом в качестве необходимого условия нормальной жизнедеятельности выступает относительное постоянство гликемического уровня /39, 87, 101 и др./. Содержание сахара в крови зависит от интенсивности целого ряда процессов, в том числе всасывания углеводов в кишечнике, утилизации их различными тканями, выведения почками излишков сахара из организма, обмена углеводов в печени /86, 87, 120/. Благодаря анатомониэиоло-гическим и биохимическим особенностям печень играет основную роль в поддержании уровня гликемии. Сахара, поступающие в организм через пищеварительный тракт, могут депонироваться в этом органе в виде гликогена. Последний, в случае необходимости, расщепляется до глюкозы, легко диффундирующей в кровяное русло. Кроме того, в печени может осуществляться синтез глюкозы из продуктов ее неполного расщепления и других органических веществ неуглеводной природы, что имеет большое значение при голодании или отсутствии в пище достаточного количества углеводов, а также в условиях значительной физической нагрузки /65, 80, 104, 246/.
Актуальность проблемы. Вопросу изменения содержания сахара в крови и интенсивности связанных с ним процессов углеводного обмена в печени при различных функциональных состояниях организма посвящено немало работ /3, 14, 28, 44, 59, 159 и др./, однако, механизмы регуляции этих процессов исследованы еще недостаточно. Ведущая роль в регуляции обмена веществ и энергии в организме в настоящее время отводится центральной нервной системе, которая
7 при помощи нервных и гуморальных регуляторних агентов контролирует интенсивность и направленность метаболических потоков, изменяя активность соответствующих ферментов /115, 133/.
Особое место в механизмах этой регуляции принадлежит гипоталамусу, который на основании информации, притекающей к нему от различных экстеро- и интерорецепторов и из вышележащих отделов центральной нервной системы, осуществляет координацию вегетативных функций и обменных процессов в соответствии с изменениями окружающей и внутренней среды организма /17, 191, 237, 238/. Исследование гипоталамической регуляции углеводного обмена имеет уже более чем восьмидесятилетнюю историю /87/. За это время накоплен богатый экспериментальный материал, однако и в настоящее время роль отдельных ядер гипоталамуса четко не определена, а работы, посвященные этому вопросу, нередко противоречивы и не дают полного ответа на него. Недостаточно изученными остаются механизмы гипоталамической регуляции обмена углеводов в печени, имеющие самое непосредственное отношение к поддержанию углеводного гомеостазиса в организме. Практически не исследовано участие в этой регуляции ядер переднего и заднего отделов гипоталамуса. Не разрешен также вопрос о соотношении участия в ней различных гипоталамических образований.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы было исследование участия некоторых структур гипоталамуса в механизмах регуляции процессов углеводного обмена в печени, предопределяющих уровень сахара в крови. Исходя из этого были поставлены следующие задачи:
Исследовать влияние хирургического и фармакологического повреждения печени на гипоталамическую регуляцию содержания сахара в крови.
Исследовать изменения интенсивности процессов гликогено-
8 генеза, гликогенолиза и глюконеогенеза в печени в условиях электростимуляции структур гипоталамуса.
3. Выяснить роль некоторых гормонов (инсулина, кортикостеро-идов, вазопрессина и окситоцина) в механизмах передачи влияний гипоталамуса на углеводный обмен.
Основные положения, выносящиеся на защиту. Печень играет существенную роль в передаче влияний гипоталамуса на содержание сахара в крови. Хирургическое и фармакологическое повреждение этого органа нарушают регуляцию углеводного обмена и изменяют величину реакции гликемии на электростимуляцию гипоталамических структур.
Структуры гипоталамуса неравнозначны в отношении регуляции гликемии и связанных с ней процессов углеводного обмена в печени. Функциональная гетерогенность гипоталамуса основывается на дифференцированном и специфическом влиянии его нейрональных образований на подчиненные им нервно-гуморальные регуляторные механизмы.
Электростимуляция супраоптических ядер гипоталамуса вызывает значительное уменьшение содержания глюкозы в крови и гликогена в печени, сопровождающееся повышением активности ферментов гликогенолиза и снижением активности ключевых ферментов глюконеогенеза в этом органе, и таким образом, способствует уменьшению углеводных запасов организма. Существенную роль в регуляторном влиянии супраоптических ядер на обмен углеводов в печени могут играть синтезируемые в них нейрогормоны вазопрессин и окситоцин.
Медиальные и латеральные структуры среднего гипоталамуса оказывают на обмен углеводов противоположно направленные влияния. Электростимуляция вентро- и дорзомедиальных ядер вызывает усиление гликогенолиза в печени, что приводит к увеличению скорости образования свободной глюкозы в этом органе и повышению уровня гликемии. Электростимуляция латерального гипоталамического поля, напротив, тормозит расщепление гликогена и образование свободной глюкозы в печени, вследствие чего уровень гликемии снижается. Существенную роль в передаче влияний среднего гипоталамуса на углеводный обмен в печени и содержание глюкозы в крови играет ин-сулярный аппарат поджелудочной железы, фармакологическое повреждение которого извращает реакции углеводного обмена на стимуляцию латерального гипоталамического поля.
Электрическая стимуляция задних гипоталамических ядер вызывает реакции гликемии и углеводного обмена в печени, сходные с эффектами стимуляции латерального гипоталамического поля, что свидетельствует в пользу мнения о идентичности подчиненных этим структурам гипоталамуса нервно-гуморальных регуляторных механизмов..
Электрическая стимуляция медиальных мамиллярных ядер вызывав ет увеличение интенсивности синтеза гликогена и образования свободной глюкозы в результате активации глюконеогенеза, а также повышение уровня гликемии. Основным звеном в механизмах передачи регуляторных влияний медиальных мамиллярных ядер на углеводный обмен являются гормоны коры надпочечников.
Научная новизна. Впервые проведено исследование участия структур переднего, среднего и заднего отделов гипоталамуса в регуляции гликемии и связанных с ней процессов углеводного обмена в печени в одинаковых условиях опыта, что позволило провести объективный сравнительный анализ их влияний на исследуемые процессы.
Впервые проведены исследования активности ключевых фермен-товь синтеза и расщепления гликогена и глюконеогенеза в печени в условиях электростимуляции супраоптических, дорзомедиальных, задних гипоталамических и медиальных мамиллярных ядер гипоталамуса. Показано, что стимуляция латерального гипоталамического поля наряду с активацией гликогенсинтетазы вызывает в печени су-
10 щественное снижение активности гликогенфосфорилазы и кислой о(~ глюкозидазы, а стимуляция вентромедиальных ядер одновременно с повышением активности гликогенфосфорилазы приводит к снижению активности гликогенсинтетазы -с при неизменной общей активности этого фермента.
Проведены исследования механизмов передачи влияний некоторых гипоталамических образований на углеводный обмен. Показано, что в передаче влияний магноцеллюлярных ядер переднего гипоталамуса могут участвовать синтезируемые в их клетках нейрогормоны. Проведены комплексные исследования воздействия вазопрессина и ок-ситоцина на углеводный обмен в печени и содержание сахара в крови. Установлено, что у аллоксандиабетических животных направленность изменений уровня гликемии и показателей углеводного обмена в печени, вызываемых стимуляцией латерального гипоталамического поля, противоположна наблюдаемой в этих условиях у здоровых. Дано экспериментальное подтверждение участия кортикостероидов в реализации влияний медиальных мамиллярных ядер на обмен углеводов. Показано, что хирургическое и фармакологическое повреждение печени нарушает передачу гипоталамических влияний на содержание сахара в крови.
Практическое значение работы. Выяснение роли печени в механизмах регуляции гликемии помимо теоретического имеет практическое значение, поскольку дает ключ к пониманию причин нарушений обмена веществ, происходящих при различных патологических изменениях этого органа.
Исследование участия структур гипоталамуса в регуляции гликемии и связанный с ней процессов углеводного обмена в печени расширяет возможности клиницистов при определении этиологии заболеваний, связанных с нарушением метаболизма, в частности, сахарного и несахарного диабета, а также некоторых видов гликоге- H030B.
Результаты опытов, проведенных на аллоксандиабетических, адреналэктомированных и частично гепатэктомированных животных, а также пойле воздействия на печень четыреххлористым углеродом с целью изучения механизмов передачи регуляторних влияний гипоталамуса на уровень гликемии, могут иметь значение для медицины и ветеринарии. В частности, в исследованиях, проведенных на аллоксандиабетических крысах, выявлены существенные изменения механизмов, вызывающих в норме компенсацию алиментарной и других видов гипергликемии.
Модифицированные нами для работы на отечественном анализаторе ферментативной активности АФ-І методы определения активности некоторых ферментов углеводного обмена отличаются сравнительной простотой и могут быть использованы в исследовательской практике и применены в медицине при анализе биоптатов тканей с целью диагностики заболеваний, связанных с нарушениями углеводного обмена.
Разработан метод дробного введения крысам аллоксангидрата, позволяющий значительно снизить процент летальных исходов и увеличить выход животных с выраженными признаками экспериментального диабета, по сравнению с ранее известными методиками.
Материалы диссертации используются при чтении общего курса физиологии человека и животных и спецкурсов по физиологии пищеварения, центральной нервной системы и эндокринной системы для студентов биологического факультета Киевского государственного университета им.Т.Г.Шевченко.
Общая характеристика основных этапов углеводного обмена
В настоящее время вопросу о путях преобразования углеводов в организме человека и животных посвящено большое количество работ /87, 120, 157, 213, 214, 221 и др./. Известно, что углеводы, потребляемые с пищей, подвергаются соответствующей обработке в пищеварительном тракте и в процессе всасывания поступают в кровяное русло в виде моносахаридов, а также в незначительном количестве - в виде дисахаридов при наличии их избытка в пище. Через систему воротной вены сахара попадают в печень, где поглощаются паренхиматозными клетками. Здесь фруктоза и галактоза превращаются в глюкозу и глюкозо 6«фосфат. Последний практически не способен выходить из клеток через наружную плазматическую мембрану. Таким образом, внутри клеток поддерживается низкая концентрация несвязанной глюкозы, что способствует ее непрерывному поглощению. При интенсивном поступлении глюкозы основная масса образующегося глюкозо-б«-фосфата идет на образование гликогена.
Глюкоза представляет собой основное соединение углеводной природы, поступающее в общий кровоток после прохождения Сахаров через печень. Из крови она проникает в клетки различных органов и тканей, где как и в печени преобразуется в глюкозо-6 осфат. В тканях, расположенных вне печени, этот процесс катализируется неспецифическими гексокиназами, активность которых находится в обратной зависимости от концентрации продукта реакции /83, 87, 96/.
В клетках ряда тканей, как и в гепатоцитах, глюкозо-6н$осфат может быть использован на построение молекул гликогена /86, 87, 146/ Этот процесс осуществляется в несколько этапов. Глюкозо-6 фосфат при участии фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-1«фосфат. Последний в свою очередь взаимодействует с уридиндифосфатом. Эту реакцию катализирует уридиндифосфатглюкопирофосфорилаза. Образующаяся при этом уридиндифосфатглюкоза в ходе реакции, катализируемой гликогенсинтетазой, передает гликозидные единицы на имеющиеся в клетках фрагменты гликогена /225/. Таков механизм линейного увеличения гликозидных цепей молекул гликогена. Разветвление этих молекул осуществляется при участии амило-/1,4-1,бЛ грансглюкози-дазы /119/. Сильно разветвленная структура придает компактность и плотность откладываемым в клетках молекулам и обеспечивает наличие большого количества концевых участков, способных подвергаться фосфоролиэу.
Роль различных отделов центральной нервной системы в регуляции углеводного обмена
Обмен веществ в организме находится под постоянным контролем нервно-гуморальных регуляторных механизмов. Ведущую роль в этой регуляции играет центральная нервная система /38, 191/. Разрушение структур головного и перерезка спинного мозга на разных уровнях показали, что во всех ее отделах происходит замыкание рефлекторных дуг, осуществляющих регуляцию обменных процессов в организме /69/. Причем, основная роль в этой регуляции принадлежит структурам головного мозга. Клинические наблюдения за больными с нарушениями деятельности коры головного мозга, подкорковых структур, нижних отделов ствола мозга, гипоталамуса, белого вещества спинного мозга и других отделов центральной нервной системы, проведенные Р.И.Борисенко /20/ показывают, что эти нарушения сопровождаются изменениями в течении обмена веществ в организме.
Развитие невротических состояний сопровождается увеличением содержания сахара в крови, которое удерживается на высоком уровне в течение длительного времени /3, 153/. При этом длительность и интенсивность гипергликемии зависит от глубины и продолжительности нарушений корковой динамики. Удаление как и электрическая стимуляция различных зон коры головного мозга также влияют на характер регуляции обменных процессов /4, 69, 100/. В свою очередь резкие изменения содержания сахара в крови вызывают нарушения высшей нервной деятельности /101/. Участие коры головно 20 го мозга в регуляции обмена веществ, и в частности, углеводного обмена, подтверждается также опытами с фармакологической стимуляцией либо угнетением ее функционального состояния /88, 100, 153/.
Большую роль в регуляции углеводного обмена в организме играют структуры лимбической системы, принимающие существенное участие в поддержании гомеостазиса. Так например, на уровне поясной извилины и гиппокампа происходит замыкание рефлекторных дуг инте-роцептивных гликемических рефлексов /30, 31, 71, 72/. Ядра миндалевидного комплекса участвуют в рефлекторной регуляции уровня гликемии, влияя на секреторную активность эндокринных желез /7, 10/. Нейрофармакологические и электроэнцефалографические исследования ретикулярной формации среднего мозга убедительно показывают, что это образование также участвует в регуляции углеводного обмена / 155 /.
Подбор и содержание животных
Опыты проведены на белых крысах-самцах весом 250-300 г, в возрасте 6-Ю месяцев. Животных содержали на обычном пищевом рационе в условиях вивария с 12-часовыми периодами пребывания в темноте и на свету /61/. Аллоксандиабетических крыс содержали на рационе с уменьшенным количеством углеводов и увеличенным количеством белковых продуктов. За 16-18 часов до начала опыта крыс лишали пищи, оставляя доступ к воде свободным. Кроме того, подопытных животных не кормили накануне хирургических операций, а также в течение 24 часов перед введением в организм аллоксана.
Количество и распределение использованных в эксперименте животных по группам представлены в табл. I (См. "Приложения").
class4 ПОКАЗАТЕЛИ УГЖВОДНОГО ОБМЕНА У КРЫС В РАЗЛИЧНЫХ
УСЛОВИЯХ .ЭКСПЕРИМЕНТА class4
Содержание глюкозы в крови и показатели углеводного обмена в печени интактных крыс
Для характеристики процессов углеводного обмена в печени, предопределяющих образование в этом органе свободной глюкозы либо поглощение ее из крови, мы использовали наряду с содержанием гликогена активность ключевых ферментов его синтеза и расщепление, а также активность ключевых ферментов глюконеогенеза. Об интенсивности и направленности обмена гликогена судили по его содержанию в печени, а также по активности гликогенсинтетазы, гли-когенфосфорилазы и кислой оС-глюкозидазы. Об интенсивности глюконеогенеза судили по активности его ключевых ферментов -фруктозо-1,6-дифосфатазы и глюкозо-б-фосфатазы. Последний, как известно, лимитирует образование в органе свободной глюкозы как из предшественников неуглеводной природы, так и из гликогена/119/.
Содержание глюкозы в крови и показатели углеводного обмена в печени интактных крыс представлены в табл.3. Сходные величины этих показателей у крыс были получены и в опытах других исследователей. Так, содержание глюкозы в крови этих животных, по данным литерутуры, изменяется в среднем от 0,050 0,004 % до 0,146± ±0,002 % или от 3,0±0,2 до 8,10).II ммоль на л /168, 192, 205, 218, 219/. Содержание гликогена в печени крыс, в зависимости от условий, составляет в среднем от 0,03 до 7,51 % /190/. Общая активность печеночной гликогенсинтетазы у крыс составляет от 1,38 .л — т до 2,54 мкмоль УДФ»мин «г , а активность гликогенсинтетазы і - от ЗО до 54,7 % от общей активности фермента /239, 240, 257/. Общая активность гликогенфосфорилазы печени составляет у них в среднем от 7,46 0,15 до 53,5 5,5 мкмоль неорг. фосфата.мин .г , а активность гликогенфосфорилазы й - от 3,6 до 46,4 4,7 мкмоль неорг. фосфата»мин .r Vl17, 238, 239/. Активность фруктозо-1,6--дифосфатазы в печени этих животных составляет в среднем от 0,5 до 15 мкмоль неорг. фосфата.мин т, а активность глюкозо-6--фосфатазы - от 3,7 1,9 до 20,82 2,66 мкмоль неорг. фосфата.мин . .г-1 /144, 260, 276 и др./. Некоторые исследователи выражают активность ферментов в печени в пересчете на I г содержащихся в ней белков /161, 277 и др./. Однако, общее количество белка в органе не может находиться в прямой зависимости от концентрации одного из ферментов углеводного обмена и поэтому выражение ферментативной активности в таких единицах осложняет правильное представление о происходящих в органе процессах /176/.
Влияние электростимуляции супраоптических ядер гипоталамуса на содержание глюкозы в крови и обмен углеводов в печени
Отличительной чертой переднего отдела гипоталамуса является наличие в нем магноцеллюлярных нейроэндокринных клеток, которые в процессе эволюции приобрели способность к синтезу и выделению в кровяное русло биологически активных пептидов - вазопрее-сина и окситоцина /5, 256/. Тела этих специализированных нейронов локализованы, главным образом, в супраоптических и паравен-трикулярных ядрах, а их аксоны в составе супраоптико- нейрогипо-физарного тракта проходят в заднюю долю гипофиза, где заканчиваются на стенках капиллярной сети. Указанные гипоталамические ядра способны реагировать изменением электрической активности на осмотические стимулы, раздражение различных хемо-, баро-, механоре-цепторов /173, 216, 229/, что в свою очередь влияет на интенсивность секреции вазопрессина и окситоцина /13/. Известно, что при участии супраоптико-нейрогипофизарной системы осуществляется поддержание нормальной температуры тела и водно-солевого баланса организма /46, 74, 204, 241, 280/, а ее роль в регуляции углеводного обмена исследована недостаточно. В наших опытах электростимуляция супраоптических ядер гипоталамуса вызывала закономерную гипогликемию (табл. 7). За время стимуляции содержание глюкозы в крови крыс уменьшалось в среднем на 1,226 0,334 ммоль/л ( Р 0,01). Наряду со снижением уровня гликемии в этих уеловиях в печени происходило усиление гликогенолиза и торможение образования глюкозы из органических веществ неуглеводной природы, о чем свидетельсвуют статистически достоверные изменения активности ключевых ферментов этих процессов.
