Автолитическая активность нейтральных протеаз в тканях суслика в динамике зимней спячки и в ходе самосогревания после индуцированного пробуждения Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2010. № 6

УДК 612.822.1.015.1

АВТОЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ НЕЙТРАЛЬНЫХ ПРОТЕАЗ В ТКАНЯХ СУСЛИКА В ДИНАМИКЕ ЗИМНЕЙ СПЯЧКИ И В ХОДЕ САМОСОГРЕВАНИЯ ПОСЛЕ ИНДУЦИРОВАННОГО ПРОБУЖДЕНИЯ

© 2010 г. П.М. Нурмагомедова, Э.З. Эмирбеков, М.М. Абасова

Дагестанский государственный университет, ул. Гаджиева, 43а, г. Махачкала, Республика Дагестан, 367000, dgu@dgu.ru

Dagestan State University, Gadjiev St., 43a, Makhachkala, Republic Dagestan, 367000, dgu@dgu.ru

В период подготовки к зимней спячке в стволовых структурах мозга и сердце происходят циклические изменения автоли-тической активности нейтральных протеаз. Температурная зависимость активности ферментов ткани специфична: при повышении температуры тела после индуцированного пробуждения она увеличивается сначала в стволовых структурах мозга (10 °С), затем в коре больших полушарий (20 °С) и сердце (25 °С).

Ключевые слова: зимняя спячка, индуцированное пробуждение, гипотермия, суслики, крысы, автолиз.

In preparation for hibernation in trunks structures of a brain and heart there are cyclic changes of autolysis activity of neutral proteases. Temperature dependence of autolysis activity is specific for tissues: at body rise in temperature activity of autolysis' enzymes concerning 2nd month of hibernation at first in trunks structures of a brain (10 °C), and then in a bark of the big hemispheres (20 °C), and heart (25 °C) increases.

Keywords: hibernation, induced awakening, hypothermia, ground squirrels, rats, autolysis.

В настоящее время большое внимание уделяют проблеме влияния регуляторов пептидной и/или белковой природы на состояние классических медиаторных систем, через которые реализуются адаптивные перестройки метаболизма. Это могут быть нейромодуляторы, ре-цепторные структуры, белки теплового шока и т.д. Для образования этих регуляторов требуется активация ранних генов либо ограниченный протеолиз.

Своеобразным приспособлением для переживания неблагоприятных условий является зимняя спячка, наблюдающаяся у многих видов млекопитающих. В динамике зимней спячки механизмы терморегуляции сохраняются, но поддерживают температуру тела на еще более низком уровне [1].

В нервной ткани, как и в большинстве органов и тканей животных, имеется сложная система протеоли-за, включающая различные по внутриклеточной локализации и специфичности действия протеолитические ферменты. Нейтральные протеазы вносят существенный вклад в образование триггеров спячки и пробуждения через реакции ограниченного протеолиза.

Экспериментальная часть

Эксперименты проведены на малых кавказских сусликах (Citellus pigmaeus Pallas) массой 200-250 г - типичных представителях зимоспящих животных [2]. Их отлавливали весной - летом методом залива нор в районе Буйнакского перевала (Республика Дагестан) и до наступления холодов содержали в условиях вивария на смешанном растительно-зерновом рационе. После снижения температуры воздуха до +8 - -6 °С животные укладывались в стеклянные баллоны с подготовленной подстилкой. Ежедневно проверяли их активность методом «опилочной пробы». Для изучения процессов, происходящих в ходе пробуждения, сусликов через 2 мес. после начала гибернации в середине баута спячки помещали в холодильник для достижения температуры тела 2,5 °С. После этого их переносили в помещение с температурой 25 °С для самосогревания. Для экспериментов брали сусликов по достижении температуры тела 10, 20, 25, 30 и 38 °С.

Автолитическую активность нейтральных протеаз определяли по методу М. Baundry [3] и Е. Nilsson, J. Karlsson [4].

Для оценки статистических различий использовали критерий Стьюдента.

Результаты исследования

Результаты исследования автолитической активности ферментов в структурах мозга и сердца у сусликов в динамике зимней спячки представлены в табл. 1.

Таблица 1

Автолитическая активность нейтральных протеаз (Е^о) в тканях суслика в динамике зимней спячки (М±т; п=4-7)

Сроки бодрствования и спячки Мозг Сердце

Кора больших полушарий Стволовые структуры

Бодрствующие (июль), С=38 °С 0,32±0,01 0,27±0,009 0,54±0,007

Бодрствующие (сентябрь), 1г°=38 °С 0,35±0,02 0,38±0,01* 0,30±0,005*

Перед спячкой (октябрь), 1г°=16-19 °С 0,21±0,009* 0,32±0,008 0,44±0,006*

Начало спячки (ноябрь), 1° =10-13 °С 0,19±0,008* 0,25±0,006 0,32±0,008*

Спячка 2 мес., 1т° =3-4 °С 0,15±0,006* 0,17±0,005* 0,12±0,002*

Спячка 3 мес., С=5-8 °С 0,12±0,003* 0,11±0,004* 0,18±0,007*

Пробуждение, 1 т° =6-7 °С 0,18±0,005* 0,14±0,003* 0,39±0,01*

* - достоверные изменения (р<0,05) по сравнению со значением показателя в июле (нормотермия 38 °С).

Установлено, что у бодрствующих сусликов в сентябре происходит повышение на 41 % автолитической активности нейтральных протеаз в стволовых структурах, тогда как в сердце наблюдали снижение активности данной группы ферментов на 44 %.

Перед началом зимней спячки (в октябре) в коре больших полушарий и сердце выявлено понижение автолитической активности протеаз на 34 и 19 %. В то же время в стволовых структурах мозга обнаружено возрастание активности ферментов на 19 % по сравнению с июлем.

ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2010. № 6

Известно, что лизосомные ферменты имеют оптимум рН около 5,0, т.е. в кислой области. При нейтральных значениях рН, характерных для цитоплазмы, эти ферменты обладают низкой активностью. Очевидно, это служит механизмом защиты клеток от самопереваривания в том случае, если лизосомный фермент случайно попадет в цитоплазму.

Вероятно, изменения автолитической активности нейтральных протеаз перед впадением в зимнюю спячку в стволовых структурах и сердце генетически обусловлены и являются признаком подготовки к снижению метаболических процессов у сусликов.

В ноябре (начало зимней спячки) наблюдается понижение автолитической активности протеаз в коре больших полушарий и сердце на 41 % относительно июля.

Известно, что биохимические процессы, работа органов и систем организма гибернантов не тормозятся, а перестраиваются так, что даже при очень низкой температуре тела поддерживается определенный го-меостаз [5- 7].

Автолитическая активность протеаз на 2 и 3-й мес. спячки, а также перед пробуждением была значительно ниже уровня июля. На 2-й мес. спячки снижение автоли-тической активности в коре больших полушарий, стволовых структурах и сердце составило 53, 37, 78 %. Следовательно, наиболее выраженное снижение автолитиче-ской активности нейтральных протеаз в данный период спячки наблюдается в сердце и коре больших полушарий, в стволовых структурах мозга снижение носит менее значительный характер, что может отражать различия в уровне активности Са2+-зависимых процессов в разных тканях и даже на уровне мозга: в стволовых структурах мозга сохраняется более высокая автолитиче-ская активность, чем в больших полушариях. На 3-й мес. спячки снижение автолитической активности протеаз в коре больших полушарий составило 63, в стволовых структурах - 59, в сердце - 67 %. Перед пробуждением понижение активности данной группы ферментов было менее значимым, чем на 2, 3-й мес. спячки сусликов. Так, в коре больших полушарий, стволовых структурах и сердце выявлено снижение автолитической активности на 44, 48, 28 % относительно контрольного уровня (июль).

В условиях самосогревания после индуцированного пробуждения уже при температуре тела 10 °С наблюдали повышение автолитической активности нейтральных протеаз в стволовых структурах мозга на 24 % (табл. 2).

При повышении температуры тела до 20 °С в коре больших полушарий и стволовых структурах возрастание автолитической активности нейтральных про-теаз составило 87 и 29 % .

Увеличение температуры тела до 25 °С способствовало повышению активности данной группы ферментов в коре больших полушарий в 10,7 раз (р<0,01), стволовых структурах мозга - на 94 (р<0,01), в сердце -на 25 % относительно уровня 2-го мес. спячки.

При повышении температуры тела до 30 °С отмечено дальнейшее повышение автолитической активности нейтральных протеаз в коре больших полушарий в 1,3 раза (р<0,01), стволовых структурах мозга -в 1,1 (р<0,01), сердце - в 2,9 раза (р<0,001) по сравнению со 2-м мес. зимней спячки.

Поступила в редакцию

При температурах тела 10 и 20 °С в сердце автоли-тическая активность нейтральных протеаз не проявляла температурную зависимость, при самосогревании зверьков до температуры тела 30 °С выявлено резкое повышение активности данной группы ферментов, сохраняющееся и при 38 °С, причем активность ферментов была лишь на 13 % ниже уровня бодрствующих сусликов, температура тела которых 38 °С.

При самосогревании животных до температуры тела 38 °С автолитическая активность стала выше, чем уровень 2-го мес. спячки, в коре больших полушарий и в стволовых структурах мозга - 1,4 раза (р<0,01), сердце -в 3,1 (р<0,001). При этом значения автолитической активности в мозгу (особенно в стволовых структурах) даже несколько превышали уровень июля.

Таблица 2

Автолитическая активность нейтральных протеаз (Е 280) в тканях суслика на этапах самосогревания после индуцированного пробуждения (М±т; п=4-7)

Мозг

Этапы самосогревания Кора больших Стволовые структуры Сердце

полушарии

Спячка, t=3-4 °С 0,15±0,003 0,17±0,006 0,12±0,004

i ä 10 0,17±0,004 0Д1±0,008* 0,14±0,005

1 20 0Д8±0,01* 0Д2±0,01* 0,13±0,002

Самосогре до темпер тела, ' 25 0,31±0,02* 0,33±0,009* 0,15±0,005*

30 0,34±0,01* 0,36±0,006* 0,47±0,02*

38 0,36±0,02* 0,40±0,01* 0,49±0,008*

* - достоверные изменения (р<0,05) по сравнению со значением во время зимней спячки сусликов.

Таким образом, приспособление к зимней спячке у сусликов реализуется через генетически детерминированные преадаптационные изменения автолитической активности в стволовых структурах мозга и сердце. Повышение же автолиза в ходе самосогревания после индуцированного пробуждения носит репаративный характер и связано с активацией всех жизненных процессов в организме, а также с необходимостью восполнить количество белков, содержание которых было уменьшено при зимней спячке.

Литература

1. Kortner G., Geiser F. The temporal organization of daily torpor and hibarnation: circadion and circannual rhythms // Chronobiol. Int. 2000. Vol. 17. P. 103-128.

2. КалабуховН.И. Спячка млекопитающих. М., 1985. 258 с.

3. Micromolar calcium stimulates proteolysis and glutamate binding in rat brain synaptic membranes / M. Baudry [et al.] // Science. 1981. Vol. 212. P. 937-938.

4. Nilsson E., Karlsson J.O. Characterization of brain cal-pains // J. Neurochem. 1986. № 4. P. 1086-1090.

5. Карманова И.Г. Физиология и генез зимней спячки // Журн. эволюционной биохимии и физиологии. 1995. № 2. С. 216-223.

6. Woods A.K, Storey K.B. Effects of hibernation on multi-catalytic proteinase complex in thirteen-lined proud squirrels, Spermophilus tridecemlineatus // Molecular and cellular biochemistry. 2004. № 3. P. 1-9.

7. Эмирбеков Э.З., Львова С.П. Механизмы биохимических изменений при низких температурах тела. Ростов н/Д, 1985. 80 с.

_11 декабря 2009 г.