Исследование энергетических процессов в митохондриях тканей крыс при гипотермии

Актуальность проблемы. Температурные адаптации у позвоночных представлены несколькими основными стратегиями. Разнообразие температурных адаптаций обусловлено различием климатических условий в различных широтах, а также разнообразием других экологических факторов (среда обитания: водная, наземная, воздушнаяпродолжительность световой части сутокэволюционная история вида). Различают три главные стратегии температурных адаптаций: пойкилотермия, гомойотермия, гетеротермия [Проссер, 1988; Хочачка, Сомеро, 1988]. Пойкилотермия наиболее древняя стратегия адаптации, когда температура тела изменяется вслед за изменениями температуры окружающей среды. У пойкилотермов температура тела может в течение суток меняться на 10−15°С. При этом, однако, скорость физиологических процессов изменяется не существенно. Такая слабая зависимость физиологических процессов от температуры тела обеспечивается специальной адаптацией, которая называется температурной компенсацией. Суть температурной компенсации состоит в том, что физико-химические свойства структурных белков и системы обратных связей таковы, что они компенсируют изменения скорости, вызванные изменением температуры тела.

Гомойотермия — такая стратегия, при которой температура тела стабилизирована. Эволюционно это более молодая стратегия температурной адаптации, так как наблюдается только у млекопитающих и птиц. Температура тела у гомойотермов поддерживается в довольно узком интервале значений и требует довольно больших затрат энергии, как при низких температурах окружающей среды, так и при температурах выше установочной точки.

Однако, температурный режим у гомойотермов неоднороден: в теле гомойотермов можно выделить «ядро» и «оболочку». К ядру относятся мозг, сердце, печень, почки и другие внутренние органы, а к оболочкекожные покровы и подлежащая под ними мышечная ткань.

Температура ядра более стабильна, температура оболочки может варьировать в пределах нескольких градусов. Оказалось, что температурная зависимость биохимических процессов в клетках тканей ядра и оболочки неодинакова: в тканях оболочки температурная зависимость слабее, чем в тканях ядра [Слоним, 1986].

Отсюда следует, что оболочка тела более «пойкилотермна», чем ядро. Поскольку генетический материал всех клеток организма идентичен, это говорит о том, что пойкилотермные механизмы закодированы на генетическом уровне и в клетках гомойотермов.

Следовательно, можно предположить, что при определенных условиях переход к пойкилотермической стратегии может быть индуцирован и в клетках тканей ядра.

Третья стратегия — гетеротермия, при которой животное способно существенно менять температурный режим в различные сезоны года. Примером этой стратегии является зимняя спячка мелких грызунов, таких как, суслики. В бодрствующем состоянии суслики поддерживают температуру тела около 38 °C. В зимнее время в условиях бескормицы и низкой температуры окружающей среды температура тела суслика мало отличается от температуры среды и может достигать 0 °C [Калабухов, 1985].

Гетеротермия направлена на сбережение энергетических ресурсов организма в условиях недостатка пищи. При гетеротермии происходит резкая смена температурного режима. Однако состояние зимней спячки отличается от состояния пойкилотермии тем, что у пойкилотермов снижение температуры тела не сопровождается значительным снижением физиологической активности, а, следовательно, не уменьшается расход энергии. При зимней же спячке снижение температуры тела необходимо для подавления, как физиологической активности, так и энергетического обмена. Общность же этих двух состояний заключается в том, что животные могут и в том, и в другом случае выживать при низких температурах тела.

Считается, что гетеротермия является надстройкой для гомойотер-мии, то есть эволюционно более поздней стратегией адаптации.

Из выше сказанного следует, что все три стратегии адаптации не являются тремя изолированными друг от друга механизмами. Эволюционно более молодые стратегии могут быть сведены при определенных условиях к более древним. Однако во всех этих стратегиях энергетические процессы играют важную, если не главную роль. Поэтому исследование особенностей энергетического обмена у животных, использующих различные стратегии температурных адаптации, является актуальной проблемой современной физиологической экологии.

Попытки индуцировать переход от гомойотермии к пойкилотермии экспериментальными путями представляют значительный теоретический и практический интерес.

Индуцировать такой переход можно было бы либо химическим, либо физическим путем. Например, можно предположить, что введение в клетку веществ, создающих дефицит энергии, может послужить толчком для перехода на энергосберегающую или иную стратегию. Дефицит энергии в клетке можно вызвать введением разобщителей окислительного фосфори-лирования таких, например, как 2,4-динитрофенол (2,4-ДНФ). Опыты с введением 2,4-ДНФ в организм используются в экспериментальной биологии для повышения устойчивости к гипоксическим состояниям [Пауков, Хитров, 1985]. С другой стороны, снижение температуры тела (гипотермия) также подавляет энергетический обмен и может приводить к энергетическому дефициту в клетке. Следовательно, при гипотермических состояниях также возможна смена стратегии.

Цели и задачи исследования. Целью работы была проверка предположения о возможности индуцировать смену стратегий температурной адаптации в организме гомойотермного животного. Для этого были исследованы:

1. Энергетические процессы в тканях мозга и печени крыс при введении разобщителя окислительного фосфорилирования 2,4-динитрофенола и гипотермии.

2. Энергетические процессы в тканях мозга и печени крыс при многократном холодовом воздействии.

3. Температурные зависимости энергетических процессов в тканях мозга и печени крыс при гипотермии.

Основные положения. выносимые на защиту.

1. Гипотермия гомойотермного животного (крыса) стимулирует адаптивные изменения энергетического обмена, направленные на поддержание физиологической активности при низких температурах тела.

2. Гипотермия вызывает такие изменения температурной зависимости потребления кислорода гомогенатами мозга, которые указывают на включение механизма температурной компенсации энергетического метаболизма.

Научная новизна. В настоящей работе впервые исследованы энергетические процессы в тканях мозга и печени крыс в различных метаболических состояниях, совместное действие гипотермии и разобщителя окислительного фосфорилирования на дыхание тканей мозга и печени крыс, определена температурная зависимость окислительных процессов в тканях мозга и печени при гипотермических состояниях.

Установлено, что:

1. влияние гипотермии и введения 2,4-динитрофенола на дыхание гомогенатов тканей мозга и печени имеет органную специфику;

2. совместное действие гипотермии 30 °C и введения 2,4-динитрофенола на энергетические процессы в тканях мозга и печени крыс не аддитивно;

3. температурная зависимость потребления кислорода в различных метаболических состояниях в Аррениусовских координатах имеет вид прямой. Гипотермия 20 °C приводит к уменьшению эффективной энергии активации дыхания гомогенатов мозга на смеси глу-тамат+малат.

Теоретическая и практическая значимость. Полученные данные указывают на то, что при гипотермических состояниях гомойотермного организма возможна индукция механизма температурной компенсации в некоторых структурах мозга.

Эти результаты имеют большое значение для построения теорий температурных адаптаций у гомойотермных животных.

Полученные результаты могут быть использованы при планировании экспериментов по изучению явления температурной компенсации у гомойотермных животных.

Материалы, полученные при выполнении данной работы, используются в учебном процессе на кафедре биохимии Даггосуниверситета при чтении курсов «Энзимология», «Биоэнергетика», при проведении лабораторных занятий для студентов, специализирующихся по кафедре биохимии.

Апробация работы. Материалы диссертации были обсуждены на итоговых научных конференциях профессорско-преподавательского состава ДГУ (1995;1999 г.), на конференции молодых ученых СевероКавказского региона (Ростов-на-Дону, 1995 г.), на совместном съезде Американского и Международного нейрохимических обществ (Бостон, США, 1997 г.), на 12 Европейской нейрохимической конференции (Санкт-Петербург, 1998 г.), на совместном съезде Европейского и Международно9 го нейрохимических обществ (Берлин, Германия, 1999 г.), на юбилейной конференции ДНЦ РАН (Махачкала, 1999 г.), на 1-ом Кавказском симпозиуме по медико-биологическим наукам (Тбилиси, 1999 г.), на совместном заседании кафедры биохимии и НИИ биологии ДГУ (Махачкала, 2000 г.).

Публикации. По материалам данного исследования опубликовано 13 работ, две статьи находятся в печати.

ВЫВОДЫ.

1. Умеренная гипотермия 30 °C вызывает стимуляцию окислительных процессов в гомогенатах тканей мозга и печени во всех метаболических состояниях. В мозге стимуляция сопровождается уменьшением степени сопряжения. Углубление гипотермии до 20 °C приводит к дальнейшей стимуляции дыхания гомогенатов печени во всех состояниях, кроме фосфорилирующего. В гомогенатах мозга гипотермия 20 °C не стимулирует дыхание.

2. Внутрибрюшинное введение 2,4-динитрофенола в дозе 20 мг/кг веса стимулирует дыхание гомогенатов мозга и печени.

Совместное действие умеренной гипотермии и введения 2,4-динитрофенола вызывает увеличение скорости потребления кислорода во всех метаболических состояниях гомогенатами исследуемых тканей. Это увеличение сопровождается некоторым ростом сопряжения окисления и фосфорилирования.

3. Многократное действие холодового стресса на крыс (-5°С 3 ч ежедневно в течение 25 дней) активирует окислительные процессы в гомогенатах тканей мозга и печени. В гомогенатах ткани мозга это сопровождается существенным разобщением окисления и фосфорилирования, что не наблюдается в гомогенатах ткани печени.

4. При кратковременной гипотермии 30 °C у крыс предварительно адаптированных к многократному действию холода, наблюдается активация окислительных процессов в гомогенатах печени и мозга, причем в печени сильнее. При гипотермии 30 °C у этих крыс, в отличие от неадаптированных к охлаждениям животных, существенно растет отношение Р/О для гомогенатов исследуемых тканей. При пролонгировании гипотермии в течение 3 ч у крыс, предварительно адаптированных к многократному действию холода, в мозге наблюдается.

118 рост отношения Р/О и скорости фосфорилирования, а в печени падение этих показателей.

5. В гомогенатах печени сусликов как умеренная, так и глубокая гипотермии стимулируют дыхание. Однако в отличие от умеренной, глубокая гипотермия 20 °C заметно снижает отношение Р/О.

6. Внутрибрюшинное введение 2,4-динитрофенола (10 и 20 мг/кг веса) вызывает дозозависимый рост исходного содержания и скорости образования малонового диальдегида. Гипотермия 30 °C достоверно снизила исходное содержание малонового диальдегида и увеличила скорость их образования в мозге, не оказав влияния в ткани печени.

Совместное действие этих двух факторов по-разному оказало влияние на образование малонового диальдегида в печени и мозге. В печени при увеличении исходного уровня малонового диальдегида, скорость их образования несколько снижается. В мозге же растут оба показателя.

7. Гипотермия 20 °C уменьшает эффективную энергию активации дыхания гомогенатов мозга крыс (смесь глутамат+малат) в состояниях без добавления АДФ и фосфорилирующем и не меняет в разобщенном состоянии. При использовании в качестве субстрата смеси сукцинат+глутамат подобного эффекта не наблюдается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Гипотермия широко используется в клинической практике при операциях на сердце и мозге [Волколаков, Лацис, 1977]. Это связано с тем, что при гипотермии клетки тканей мозга и сердца могут более длительное время переживать периоды ишемии, которые возникают при хирургическом вмешательстве. Защитное действие гипотермии при ишемии показано на различных моделях, начиная с организменного уровня и кончая уровнем срезов тканей [Иванов, Кисляков, 1979; Семенова, Швец, 1980; Таш-пкйо, Окас1а, 1987].

Ясно, что защитное действие какого-либо фактора в условиях дефицита энергии может быть обусловлено, либо снижением потребности клеток в энергии, либо подавлением процессов, ведущих к разрушению клеточных структур в условиях дефицита энергии.

Уже умеренная гипотермия оказывает защитное действие при ише-мических состояниях [Сапеуап е1 а1., 1999].

Известно, что при снижении температуры тела происходит закономерное снижение уровня потребления кислорода организмом в целом и отдельными его тканями [Ygushi, 1986]. Это снижение может быть обусловлено двумя причинами.

Во-первых, снижение температуры замедляет скорость химических реакций, в том числе и скорость восстановления кислорода. Само по себе это не может служить защитой от дефицита энергии потому, что чем ниже скорость окисления, тем ниже скорость продукции макроэргических связей. Защитный эффект в этом случае возможен лишь тогда, когда температурная зависимость энергопотребляющих процессов будет сильнее, чем температурная зависимость энергопродуцирующих процессов.

Энергопотребляющие процессы можно разделить на две группы: процессы, требующие затрат энергии при физиологическом покое и процессы, связанные с физиологической активностью. Одним из основных процессов, относящихся к первому типу, является пассивное движение ионов по градиенту электрохимического потенциала.

В мозге значительное количество энергии расходуется на поддержание ионных градиентов. В отсутствие электрической активности нейронов, связанной со значительным рассеиванием энергии ионных градиентов, потребление энергии определяется пассивной проницаемостью плазматических мембран нейронов для Ыа+ и К+. Чем интенсивнее ионы движутся по градиенту концентраций, тем больше требуется энергии, чтобы восстановить необходимый градиент концентраций.

Известно, что практически весь активный транспорт ионов в нейронах осуществляется Ка+, К±АТФазой, локализованной на плазматической мембране и использующей АТФ для транслокации ионов [Иванов, Кисля-ков, 1979; Котык, Янычек, 1980].

При нормотермических условиях потребление кислорода срезами ткани мозга уменьшается примерно на 40% в присутствии оуабаина, ингибитора №+, К±АТФазы [ЭокоМ^ 1999]. Это говорит о том, что в состоянии покоя, по крайней мере 40%, вырабатываемой в клетке энергии, тратится на откачку пассивно двигающихся ионов.

Другой статьей энергетических расходов для клеток мозга является биосинтез белков, а также пассивная утечка протонов через внутреннюю мембрану митохондрий.

Гипотермия снижает физиологическую активность мозга, что выражается в уменьшении частоты и амплитуды колебаний на ЭЭГ [ТашшЫо, Окас1а, 1987]. Известно, что потребление кислорода и глюкозы срезами мозга пропорционально частоте электростимуляции срезов [8око1о?Г, 1999]. Поэтому вполне объяснимо параллельное снижение потребления кислорода мозга при снижении температуры тела.

В некоторых работах потребление кислорода организмом экспоненциально зависит от температуры тела [ГиЬгшап, 1956]. В других случаях отмечается линейная зависимость между этими величинами [Black et al., 1976]. Различия между данными разных авторов обусловлены, видимо, условиями эксперимента: скоростью охлаждения, уровнем наркоза. Однако во всех работах отмечается снижение потребления кислорода мозгом и организмом в целом. Таким образом, часть энергии сберегается при гипотермии за счет снижения электрической активности.

Поскольку при гипотермических состояниях общая физиологическая активность организма снижается, подавление электрической активности нейронов не является повреждающим фактором, так как часть функций, выполняемых при нормотермии, может быть на время отключена. Поэтому снижение электрической активности мозга при гипотермии можно рассматривать как часть энергосберегающего механизма.

Следует, однако, отметить, что электрическая активность мозга при гипотермии сохраняется вплоть до снижения температуры тела примерно до 20 °C [Петров, Гублер, 1961]. Этот факт можно интерпретировать как проявление резистентной стратегии, попытки сохранить активность при снижающейся температуре тела.

С другой стороны его можно рассматривать как проявление последовательного отключения отдельных функций, по мере снижения температуры тела. В обоих случаях снижение электрической активности обусловлено, видимо, снижением возможности энергопродуцирующих процессов поставлять энергию в необходимых для работы формах.

При полном отключении физиологической активности потребление кислорода определяется только пассивной процессами. Поэтому дальнейшее снижение потребления кислорода по мере снижения температуры тела, зависит от температурной зависимости пассивной проницаемости мембраны.

Известно, что умеренная гипотермия существенно подавляет биосинтез белков и нуклеиновых кислот в тканях млекопитающих [Диускалиев, 1974]. При гипотермии 20 °C синтез биополимеров также, как и их распад практически полностью подавлен, и, следовательно, эти процессы уже не требуют энергии [Конникова, 1979].

Несмотря на существенное снижение потребности в энергии при глубокой гипотермии, клетки все-таки нуждаются в энергии. Необходимая для откачки ионов энергия вырабатывается в митохондриях. Температурная зависимость изолированных митохондрий характеризуется эффективной энергией активации примерно 50 кДж/моль, что соответствует коэффициенту Вант-Гоффа (Qi0) равному примерно 2.0[Pechowich, Wang, 1981]. В то время как пассивная проницаемость мембран для ионов имеет Qio равный 1.1−1.3 [Лев, 1975]. Это означает, что температурная зависимость энергопродуцирующего процесса сильнее, чем температурная зависимость энергопотребляющего процесса. А, следовательно, при некоторой критической температуре скорости обоих процессов будут равны. Ниже этой температуры энергетические процессы уже не справляются с пассивными, и возникает риск гибели клеток. Выше этой температуры возможность выживания сохраняется.

Адаптивные изменения, позволяющие выживать при более низких температурах, должны, с одной стороны, активировать процессы синтеза макроэргов, а с другой стороны, снижать скорость пассивной утечки ионов через мембрану.

В наших исследованиях мы показали, что гипотермия 30 °C стимулирует дыхание гомогенатов тканей мозга и печени. Эта стимуляция в различных метаболических состояниях колеблется от 30 до 50% (табл.2, 3). Особо важно, что гипотермия 30 °C стимулирует фосфорилирующее дыхание, при котором образуется АТФ. Механизм этой стимуляции практически не изучен.

Мы предполагаем, что при гипотермии 30 °C снижение температуры ткани запускает ряд процессов, которые направлены на повышение способности митохондрий генерировать АТФ. Можно предположить, что при гипотермии активируются десатуразы — ферменты, создающие двойные связи в жирнокислотных остатках фосфолипидов.

Это с одной стороны, уменьшает вязкость мембран, что может увеличить подвижность белковых комплексов, локализованных в мембране. В митохондриях млекопитающих участники электрон-транспортной цепи, видимо, подвижны и поэтому скорость диффузии белковых комплексов в мембране митохондрий может лимитировать отдельные стадии окислительного фосфорилирования.

В частности, стадии переноса электрона от убихинона на цитохром bcj зависит от коэффициента диффузии убихинона в липидной матрице мембраны.

Гипотермия стимулирует разобщенное дыхание как на сукцинате, так и на глутамате. Это означает, что при гипотермии, возможно, увеличивается подвижность как убихинона, так и цитохрома, поскольку для глута-мата лимитирующей стадией является перенос электрона с НАДИ на уби-хинон, а для сукцината — перенос между цитохромами.

Гипотермия стимулирует также дыхание в состоянии 3. Мы это объясняем повышением активности АТФ-синтетазы.

Согласно современным представлениям АТФ-синтетазы митохондрий — это молекулярная машина, в которой преобразование субстратов происходит вследствие вращения одной из субъединиц внутри полости, образованной другими субъеиницами [Hatefi, 1993]. Это означает, что работа АТФ-синтетазы требует существенной конформационной подвижности, зависящей от вязкости среды, в которую помещен фермент. Поэтому уменьшение вязкости липидов внутренней митохондриальной мембраны может служить причиной увеличения максимальной скорости синтеза АТФ.

В многочисленных исследованиях сотрудников нашей лаборатории и в нашей работе показано, что умеренная гипотермия существенно стимулирует процессы перекисного окисления в ткани мозга [Львова и др., 1993; Кличханов и др., 1997].

Анализ полученных нами данных и литературных источников позволяет предположить, что гипотермия активирует десатуразы, вследствие чего количество жирнокислотных остатков в липидах мембран возрастает [Хочачка, Сомеро, 1988]. Это приводит к двум эффектам. С одной стороны уменьшается вязкость липидов, а с другой стороны, увеличивается содержание субстратов перекисного окисления липидов.

Митохондрии являются основным источником свободных радикалов в клетке. Считается, что приблизительной 2−5% электронов, проходящих через электрон-транспортную цепь, участвует в одноэлектронном восстановлении кислорода до супероксида [1т1ау, Бпёо’шс]!, 1991].

Время жизни супероксидного радикала в водной среде составляет 10″ 6 сек. Полагая, что коэффициент диффузии для кислорода равен 10″ 5 см2/сек, получим среднее расстояние проходимое супероксидным анионом за время жизни — приблизительно 1 микрон. Это означает, что большинство радикалов, генерированных в митохондриях, будут окислять липиды мембран митохондрий. А поскольку при гипотермии мы наблюдаем усиление перекисного окисления липидов, то можно предположить, что именно в митохондриальных мембранах происходит увеличение ненасыщенных жирнокислотных остатков при гипотермических состояниях.

Следует отметить, что гипотермия 30 °C существенно не повлияла, согласно нашим данным, на перекисное окисление в ткани печени. Это различие, возможно, обусловлено тем, что нейроны гораздо в большей степени зависят от продукции АТФ, чем гепатоциты.

С другой стороны увеличение степени ненасыщенности липидов мембран должно приводить к увеличению их неспецифической проницаемости, в том числе и для ионов. Согласно полученным нами данным гипотермия приводит к стимуляции дыхания в состоянии 2. В этом состоянии скорость дыхания определяется в основном величиной протонной утечки. Поэтому возрастание скорости в состоянии 2 при гипотермии в ткани мозга согласуется с предположением об увеличении степени ненасыщенности липидов внутренних мембран митохондрий.

Увеличение протонной утечки должно приводить к тому, что энергетические расходы клетки возрастают. Согласно данным Brand до 40% рассеиваемой энергии в организме может быть обусловлено утечкой протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану [Brand et al., 1994]. Поэтому с одной стороны активация окислительных процессов может привести к увеличению скорости фосфорилирования АДФ. Однако в состоянии физиологического покоя, когда АТФ не расходуется на совершение физиологической работы, энергопотери могут возрастать за счет увеличения протонной утечки. Таким образом, на стадии активации физиологических процессов изменение свойств внутренней митохондриальной мембраны имеет адаптивное значение. Однако, после фонового подавления физиологической активности, эти же изменения могут сыграть и отрицательную роль. Следует отметить, что при углублении гипотермии от 30° С до 20 °C, содержание продуктов перекисного окисления липидов в ткани мозга нормализуется [Кличиханов и др., 1997]. Тем не менее, при гипотермии 20 °C скорость потребления кислорода в состоянии 2 выше, чем в контроле. Это говорит о том, что, если обнаруженное нами изменение обусловлено увеличением числа ненасыщенных жирнокислотных остатков в липидах мембран митохондрий, то при углублении гипотермии их количество существенно не изменяется, а уровень перекисного окисления снижается за счет снижения температуры ткани.

Таким образом, увеличение протонной утечки при глубокой гипотермии может вести к увеличению энергетических затрат на поддержание необходимой для синтеза АТФ протондвижущей силы на внутренней мембране митохондрий.

При гипотермии 20 °C электрическая активность в мозге практически отсутствует. Одной из причин этого может быть увеличенная протонная утечка. Суслики сохраняют электрическую активность мозга при температуре тела близкой к 0 °C [Калабухов, 1985]. Возможно, это отчасти связано с меньшей протонной утечкой, так как известно, что проницаемость плазматической мембраны для ионов Na+ и К+ у гибернаторов меньше [Hall, Willis, 1986].

Введение

2,4-динитрофенола стимулирует дыхание в тканях мозга и печени крыс. Причем увеличение скорости окислительных процессов примерно такое же, как при гипотермии.

Совместное действие этих двух факторов не является аддитивным. Оба фактора вызывают максимально возможное в данных условиях увеличение скорости окислительных процессов.

Однако введение 2,4-динитрофенола, кроме того, снимает торможение оксалоацетатом, что мы связываем с активирующим действием его на изоцитратсинтетазу [Ещенко и др., 1976].

Адаптация к холоду приводит к стимуляции окислительных процессов в тканях печени и мозга уже при нормальной температуре. При этом стимуляция дыхания сопровождается торможением дыхания оксалоацетатом.

Кратковременная и пролонгированная гипотермии 30 °C приводят к дальнейшей стимуляции скорости окислительных процессов в различных метаболических состояниях в ткани печени.

В мозге стимуляция дыхания при гипотермии 30 °C адаптированных животных по сравнению с печенью значительно меньше. Эти изменения согласуются с данными других авторов об активации окислительных процессов в тканях при адаптации [Волжина, 1991].

Новым является то, что у адаптированных к холоду животных гипотермия вызывает дальнейшее стимулирование дыхания в гомогенатах печени.

Работа митохондриального аппарата несет на себе отпечаток функции, выполняемой клетками соответствующей ткани. С точки зрения неравновесной линейной термодинамики окислительное фосфорилирование может быть описано с помощью коэффициента сопряжения и коэффициента эффективности преобразования энергии, как уже отмечалось в обзоре литературы.

Поток потребления кислорода при окислительном фосфорилирова-нии называют входным потоком, а поток синтеза АТФ — выходным. Стационарное состояние, при котором выходной поток равен нулю, называется состоянием статического напора. В случае окислительного фосфорили-рования это состояние реализуется после исчерпания добавленного АДФ (состояние 4 по Чансу). В полностью разобщенном состоянии выходной поток также равен нулю, вследствие равенства нулю выходной силы. Учет этих обстоятельств приводит к следующему уравнению для коэффициента сопряжения в состоянии статического напора[Сапп8 е! а!., 1998]: q = ^Hh*)sЛh)mc (1).

Коэффициент сопряжения является независимой величиной, которая наряду с Р/О также характеризует сопряженность. Увеличение сопряжения окисления с фосфорилированием должно увеличивать как Р/О, так и ц.

Отношение Р/О находят из отношения количества добавленного АДФ к количеству потребленного для его фосфорилирования кислорода. А ц (коэффициент сопряженности) находят из соотношения У4/У5. Для оценки коэффициента сопряженности необходимо, чтобы величина У5 не искажалась ингибирующим действием оксалоацетата.

В наших экспериментах в ряде случаев, как уже отмечалось выше, У5 оказывалась меньше, чем Уз. И поэтому в этих случаях оценить величину q не возможно. Когда же V5 примерно равна V3 формула (1) может быть использована для оценки коэффициента сопряженности.

В наших экспериментах эта величина имела значения от 0.5 до 0.8. Это заметно меньше, чем значение, соответствующее оптимальному преобразованию энергии. Возможно, что в гомогенатах тканей митохондрии частично разобщаются за счет эндогенных разобщителей, например свободных жирных кислот, для связывания которых обычно используется обезжиренный альбумин.

Согласно данным Cairns et al. (1998) коэффициент сопряженности в митохондриях мозга составляет 0.955 при дыхании на НАД-зависимых субстратах и 0.922 на сукцинате. Для печени — 0.969 и 0.938, соответственно. Авторы делают вывод, что митохондрии мозга и сердца расходуют больше кислорода, но могут производить АТФ с большей скоростью, чем митохондрии печени. Однако митохондрии печени, по-видимому, имеют больший коэффициент эффективности. В тоже время предполагается, что в мозге максимизируется синтез АТФ за счет окисления субстратов цикла Кребса. Авторы считают, что митохондрии мозга и печени по разному настроены на производство АТФ из различных источников. Поэтому можно ожидать, что существенное изменение температуры ткани, влияя как на внутримитохондриальные процессы, так и на процессы в цитозоле, могут вызвать различные реакции митохондриальных систем печени и мозга, поскольку они по-разному ориентированы на внутрии экстрамитохондри-альные субстраты.

Температурная зависимость дыхания гомогенатов мозга и печени, как уже отмечалось, согласно нашим данным характеризуется эффективной энергией активации порядка 50 кДж/моль. Эта величина описывает температурную зависимость окислительных процессов в митохондриях тканей. Следует отметить, что изменения скорости метаболических процессов в тканях при изменении температуры тела могут не соответствовать температурной зависимости окислительных процессов in vitro. Например, Wang et al. (1997) на изолированных сердцах крысы и суслика обнаружили уменьшение гликолитического потока. Это уменьшение в сердце крыс составило 8 раз при снижении температуры сердца от 37 до 15 °C. В то время как скорость окисления глюкозы вообще никак не изменилась при существенном снижении температуры тела.

В целом оценивая полученные нами результаты исследования температурной зависимости окислительных процессов в тканях мозга и печени крыс следует подчеркнуть, что гипотермия 20 °C не вызвала изменения температурной зависимости потребления кислорода гомогенатами ткани печени. Это, скорее всего, свидетельствует о том, что серьезных структурных перестроек в митохондриях печени гипотермия не вызывает. В тоже время активация окислительных процессов в гомогенатах печени говорит о том, что активность митохондриального аппарата приведена в соответствие с новыми условиями функционирования, и, следовательно, с новыми потребностями в энергии.

В мозге гипотермия 20 °C привела к заметному уменьшению эффективной энергии активации дыхания гомогенатов. Надо полагать, что популяции митохондрий в мозге гораздо более гетерогенны, нежели в печени. Это связано с наличием множества различных медиаторных систем. Например, исследование метаболизма ГАМК-эргических нейронов из мозга мышей в культуре указывает на возможное существование двух типов митохондрий в этих клетках. Одни, из которых содержат цикл Кребса, продуцирующий аспартат, другие — ГАМК [Waagepetersen et al., 1998]. Кроме того, в мозге митохондрии находятся в перикарионе (свободные) и в си-наптосомах.

Мы предполагаем, что поскольку именно в области синаптических контактов энергетический обмен особенно интенсивен по сравнению с пе-рикарионом, то влияние гипотермии на энергетику свободных и синаптических митохондрий может быть различным [Sokoloff, 1999]. А именно, для поддержания синаптических функций при снижении температуры тела, следовало бы компенсировать снижение температуры ткани. В то время как в свободных митохондриях гипотермия могла бы даже подавить энергетический метаболизм для сохранения энергии. Уменьшение эффективной энергии активации может быть следствием того, что энергетические процессы в синаптических митохондриях претерпевают температурную компенсацию. Особенностью энергетического метаболизма мозга является способность мозга интенсифицировать гликолиз в аэробных условиях (аэробный гликолиз) [Pellerin, Magistretti, 1996].

В работе [Schurr et al., 1997] показано, что при реоксигенации срезов гиппокампа после пролонгированной гипоксии, добавление лактата в су-перфузионную жидкость приводило к восстановлению синаптической функции. В то время как добавление глюкозы оказалось не эффективным. Эти данные указывают на то, что лактат является более эффективным источником энергии для нейронов, в частности для синаптических процессов.

При гипотермии уровень лактата в мозге повышается [Эмирбеков, Львова, 1985]. Раньше увеличение лактата в мозговой ткани рассматривалось как признак гипоксии. Однако математическое моделирование концентрации кислорода в мозге показало, что гипоксия не наступает ни при умеренной, ни при глубокой гипотермии [Иванов, Кисляков, 1979]. Следовательно, увеличение продукции лактата может быть специализированной адаптацией к снижению температуры тела, поскольку этот субстрат легче утилизируется нейронами. Повышение концентрации лактата в нейронах, должно вести к повышению уровня НАДН, который затем по челночному механизму поступает в митохондрии, где и окисляется дыхательной цепью.

Если этот процесс является существенным источником АТФ в нейронах, то следует ожидать температурной компенсации скорости утилизации НАДН и соответственно НАДН-зависимых субстратов. Согласно полученным нами данным уменьшение эффективной энергии активации (признак возможной температурной компенсации) наблюдается при использовании в качестве субстрата окисления смеси глутамат+малат. Этого эффекта не наблюдается при использовании в качестве субстрата сукцина-та. Таким образом, наши данные согласуются с предположением об особой роли гликолиза в ткани мозга.

Подводя итог проведенных нами исследований энергетических процессов в тканях мозга и печени крыс при гипотермических состояниях, можно заключить, что гипотермия активирует энергетический метаболизм в этих тканях. В тоже время реакции в этих тканях на снижение температуры тела отличаются друг от друга. Эти различия мы связываем с различием функций, которые выполняют эти два органа.