Введение к работе
Актуальность темы. Закономерности биоэнергетического обеспечения устойчивости и адаптации человека и животных к неблагоприятным факторам среды, в частности, к низкой температуре, находятся на перекрестке интересов ряда биологических дисциплин, В исследованиях по этой проблематике напши отражение разработки многих зарубежных лабораторий и крупных советских научных школ - биохимической биоэнергетики (С.А. Нейфах, Б.П.Скулачав, М.ЇІ.Кондрашова, Е.М.Хватова и др.), патологической физиологии - в связи с проблемами гипотермии (Л.И.Мурский, Е.В.Майстрах, Ф.З.Меерсон, Н.Н.Тимофеев и др.) и экологической физиологии (А.Д.Слоним, Л.А.Исаакян, К.П.Иванов, М.А.Якименко, В.В.Хаскин и др.).
Широкое освоение районов Крайнего Севера, интенсификация экспедиционных работ в Арктике и Антарктике, акклиматизация домашних животных в условиях холодового климата, медицинское и Биотехническое применение низких температур - все это требует глубокого изучения физиологических и функционально-биохимических механизмов реакции организма на острое и хроническое действие холода.
Настоящая работа была выполнена как часть темы "Регуляция клеточного метаболизма при воздействиях низкой температуры на организм и клетки" (В Гос.регистрации 77026950) и входит в проблематику, относящуюся к междисциплинарной долгосрочной программе "Гомеостаз".
Постановка темы работы имела ряд предпосылок. Около 30 лет тому назад в работах В.П.Скулачева и его сотрудников (Северин и др., I960; Скулачев, Маслов, 1962; Скулачев, 1962) было показано, что одним из важных механизмов химической терморегуляции у животных при повторном действии холода является изменение сопряженности окисления и фосфорилирования в мышечных митохондриях, обладающее выраженной термогенной функцией. Последующие эксперименты, из которых, кстати, не все содержали', прямое подтверждение этого результата, проводились преимущественно на лабораторных животных.
В эффекторном ответе на действие низкой температуры участвуют не только скелетные мышцы, но и внутренние органы. Установлено, что у белых крыс в этих условиях изменяется КПД сердца (Алюхин, 1975, 1977), т.е. сердечная мышца, усиливая теплообразование, в этом отношении ведет себя подобно скелет-
ной. Уменьшение эффективности работы сердца в условиях длительного холодового воздействия вряд ли может быть полезно для организма. Но вместе с тем, этот факт представляется чрезвычайно ванным, так как он, вероятно, имеет отношение к нарушению деятельности сердечно-сосудистой системы, наблюдаемой при адаптации к холоду как у экспериментальных животных, так и у человека (Ткаченко, 1979; Казначеев, 1980).
Известно, что реакция диких предков белых крыс - пасюков, живущих в суровых природных условиях, на действие низкой температуры отличается от реакции белых крыс и не связано с патологическими изменениями в организме ( Hart, Негоих,1963; Hart, 1971 ). В то же время вопрос об особенностях температурозависимых биоэнергетических функций у диких животных является одним из наименее разработанных аспектов проблемы.
Ранее было показано, что адаптация белых крыс к холоду сопровождается изменениями температурных коэффициентов окисления и фосфорилироваяия в мышечных митохондриях (Хаскин, Синдаровская, 1972).
Представлялось важным проверить этот факт в митохондриях миокарда белых крыс, а такке в митохондриях серых крыс, тем более, что в работе предусмотрено изучение гипотермиче-ских состояний, при, которых окислительные системы тканей функционируют в условиях пониженной температуры.
Учитывая все вышеизложенное, была поставлена цель провести параллельно исследование миокарда и скелетных мышц у белых и серых крыс и проанализировать функциональные сдвиги в митохондриях этих тканей, происходящие при воздействиях холода ьп ін^ію и -en ъсъо.
Для решения этой цели были поставлены следующие конкретные задачи:
I. Изучить влияние субстрата окисления и температуры инкубации на скорости окисления и фосфорилирования в митохондриях скелетных мышц и миокарда у интактных белых крыс в термонейтральных условиях.
-
Определить сдвиги по изучаемым параметрам энергетики митохондрий миокарда и скелетных мышц при гипотермии и ' при восстановлении нормальной температуры тела.
-
Выявить изменения в митохондриальной системе окисления и фосфорилирозания при адаптации к холоду. Сравнять
эти изменения в миокарде и скелетных мышцах.
-
Оценить влияние адаптации к холоду на характер сдвигов в энергетике митохондрий миокарда и скелетных мышц при кратковременных 'холодовых воздействиях.
-
Исследовать температурную зависимость окисления и фосфорилирования в митохондриях миокарда и скелетных мышц
у животных, подвергнутых острым и хроническим Холодовым воздействиям.
6. Изучить эволюционно закрепленные особенности энерге
тики митохондрий у серой крысы и сравнить их со сдвигами,
происходящими в результате индивидуальной адаптации к холо
ду.
Научная новизна результатов. В данной работе впервые проводилось параллельное исследование митохондриальной системы окисления и фосфорилирования как в миокарде, так и в скелетных мышцах у белых крыс, подвергнутых действию холода. Это дало возможность оценить тканевую специфичность этой системы и особенности ее ответа на это воздействие в этих тканях. Было показано, что в результате адаптации к холоду мощность окисления и фосфорилирования в митохондриях миокарда возрастает, однако, дополнительный сильный холодовий стресс приводит к угнетению этих процессов, что предлагается рассматривать как предпосылку для патологических сдвигов в сердечно-сосудистой системе в результате неблагоприятного влияния длительного охлаждения.
Впервые с применением полярографической техники изучались особенности митохондриальной системы окисления и фосфорилирования у диких предков крыс - пасюков, живущих в природных условиях. Было показано, что митохондрии серых крыс отличаются большей мощностью окисления и фосфорилирования и большей стабильностью этих процессов при действии низкой температуры in vivo. Вместе с тем, их отличает иной характер температурной зависимости.
В митохондриях миокарда белых крыс при холодовых воздействиях как острых, так и хронических происходит переключение на преимущественное окисление сукцината. У серых крыс в этих же условиях отдается предпочтение глутамату.
Положения, выносимые на защиту.
-
В основе ответа организма на низкотемпературные воздействия лежат перестройки в системе окисления и фосфо-рилирования митохондрий - изменения скоростей дыхания и фо-сфорилирования, изменения дыхательного контроля и коэффициента фосфорилирования, изменения в температурной зависимости этих процессов, переключения в субстратах окисления.
-
Характер сдвигов в энергетике митохондрий при кратковременном глубоком охлаадении определяется фоном предварительной температурной адаптации - сдвиги приобретают противоположную направленность после адаптации белых крыс и практически отсутствуют у серых.
-
Дополнительный холодовий стресс, акклимированных к холоду-белых крыс, приводит к угнетений окисления и фосфорилирования в митохондриях миокарда, что является выражением патологических сдвигов, происходящих в результате неблагоприятного влияния длительного охлаждения организма в ходе экспериментальной адаптации.
-
Острое охлаждение серых крыс не сопровождается напряжением митохондриальньїх функций, а ответ на него определя-етдругими механизмами, связанными с температурной компенсацией на тканевом уровне, являющимися энергетически более выгодными.
Теоретическое и практическое значение. Результатами исследования обоснован общий вывод о том, что так называемое жерморегуляционное разобщение окисления и фосфорилирования в митохондриях скелетных мышц не является универсальным, свойственным всем экологическим формам гемойотермных животных механизмом интенсификации термогенеза при действии холода. Это вызывает необходимость дополнить фундаментальные представления о механизмах терморегуляции и холодс-вой адаптации сведениями о вариантах энергетической стратегии, возникающих в ходе эволюции. Методические подходы, осуществленные в работе, в частности, сочетание температурных воздействий in vivo и in vitro позволяют выявить некоторые замаскированные особенности терморегуляторної! компетентности митохондрий. Результаты исследования могут быть использованы при трактовке проявлений холодовой патологии и адаптации к холоду.
Апробация материалов диссертации. Материалы диссертации были доложены и.обсуждены на I и П Всесоюзных конференциях "Важнейшие теоретические и практические проблемы терморегуляции", Новосибирск, 1982 г. и Минск, 1986 г.; на X Всесоюзном симпозиуме "Биологические проблемы Севера", Магадан, 1983 г. и на ІУ Всесоюзной конференции "Адаптация, человека к климато-географическим условиям и первичная профилактика", Новосибирск, 1986 г.
Структура и объем работы. Диссертация изложена, на /2/ стр. машинописного текста, содержит б рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает 2ее источников, в том числе &3 иностранных.
