CC BY
77
УДК 612.55:612.59
МОДУЛИРУЮЩЕЕ ВЛИЯНИЕ АДЕНОЗИНТРИФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ НА СТРУКТУРУ ТЕРМОРЕГУЛЯТОРНОЙ РЕАКЦИИ ПРИ БЫСТРОМ ГЛУБОКОМ ОХЛАЖДЕНИИ
Екатерина Сергеевна МЕЙТА, Галина Михайловна ХРАМОВА, Тамара Владимировна КОЗЫРЕВА
НИИ физиологии СО РАМН 630117, г. Новосибирск, ул. Тимакова, 4
В экспериментах на животных показано, что аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), являясь сомедиатором норадреналина в симпатической нервной системе, уже в термонейтральных условиях приводит к увеличению общего метаболизма, которое сопровождается уменьшением дыхательного коэффициента, что может свидетельствовать об усилении липидного обмена. В условиях холодовой нагрузки под влиянием АТФ усиливается экстренный и, в наибольшей степени, мышечный холодовой термогенез. Учитывая ранее полученные данные, можно полагать, что при действии холода на организм выделение норадреналина и АТФ из симпатических нервных окончаний оказывает влияние на разные составляющие терморегуляторного ответа: норадреналин способствует снижению теплоотдачи и повышению несократительного термогенеза, тогда как АТФ значительно усиливает сократительный термогенез.
Ключевые слова: терморегуляция, аденозинтрифосфорная кислота (ATФ), холод.
Хорошо известно, что в реакциях организма на острое охлаждение участвует симпатическая нервная система. В литературе имеется достаточно много данных о повышении активности симпатических волокон и увеличении содержания нор-адреналина в крови при действии холода [1—3]. Именно с основным медиатором симпатической нервной системы норадреналином связывались все терморегуляторные эффекты, направленные на сохранение температурного гомеостаза при действии холода. Подтверждением этому служили также исследования, в которых было показано, что экзогенный норадреналин может изменять температурные пороги и величину холодозащитных реакций [4].
В настоящее время стало известно, что при активации из симпатических нервных окончаний выделяются кроме норадреналина и другие биологически активные вещества, такие как аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и нейропептид У [5]. Молекула АТФ давно известна как повсеместно распространенный источник энергии для внутриклеточного метаболизма. Однако и свойства АТФ как нейротрансмиттера, обнаруженные сравнительно недавно, сегодня уже не вызывают сомнений. Показано, что АТФ является нейротрансмиттером в центральной нервной системе, ганглиях, нервно-мышечных соединениях. Исследования продемонстрировали, что АТФ, действуя на пуринергические рецепторы типа Р2Х, вовлечена в центральные механизмы, регулирующие сердечную деятельность, сосудистый тонус и дыхание [6—10].
Структура терморегуляторного ответа при охлаждении включает снижение теплоотдачи (ва-зоконстрикторная реакция кожных сосудов) и повышение теплопродукции (сократительный и несократительный термогенез). Эффекторные реакции, возникающие в ответ на охлаждение, являются следствием информации, которая передается от термочувствительных структур, а пороги этих эффекторных реакций отражают работу афферентного звена терморегуляторной системы. Роль АТФ в регуляции термозащитных реакций не исследовалась. Учитывая вышесказанное, можно предполагать двоякое действие АТФ на афферентное и эфферентное звенья терморегуляторного ответа.
В данной работе исследовалось модулирующее влияние ионофоретического введения АТФ в кожу, область сосредоточения терморецепторов, на холодозащитные реакции организма при быстром глубоком охлаждении.
Материал и методы
В экспериментах использовались крысы-самцы Вистар массой 270—290 г, содержавшиеся в стандартных условиях вивария со свободным доступом к воде и пище. Опыты проводились с соблюдением принципов гуманности, изложенных в директивах Европейского сообщества 86/609/ЕС и Хельсинкской декларации. Охлаждение и регистрация физиологических показателей проводились на наркотизированных животных (нембутал 40 мг/кг) для исключения эмоциональной компоненты стресса, а также влияния двигательной активности.
Эксперименты выполнялись при температуре воздуха в помещении 24—25 °С. Исходно с помо-
Мейта Е.С. — аспирант лаборатории термофизиологии, e-mail: [email protected] Храмова Г.М. — н.с. лаборатории термофизиологии
Козырева Т.В. — д.б.н., проф., зав. лаборатории термофизиологии, e-mail: [email protected]
щью водяного термода и термостата поддерживались температура кожи живота (37,3 ± 0,13 °С) и ректальная температура (38,1 ± 0,11 °С). Использовалась модель быстрого охлаждения с вовлечением динамической и статической компонент активности кожных терморецепторов. Охлаждение проводилось в области живота, предварительно освобожденной от шерсти, со скоростью 0,1 °С/с, площадь охлаждения составляла 25 см2.
Для выявления эффектов АТФ использовались две группы крыс — с ионофорезом АТФ и без него. Во всех случаях глубина охлаждения животных была одинаковой, до снижения ректальной температуры на 3—4 °С. В опытной группе животным перед охлаждением проводился ионофорез АТФ в кожу живота, область последующего приложения холодового стимула. Ионофорез проводился раствором АТФ в дистиллированной воде в концентрации 0,001 мг/мл с силой тока 2 мА при площади электрода 25 см2, время ионофореза составляло 20 минут. В ходе экспериментов непрерывно регистрировались следующие параметры: температура кожи уха (для оценки вазоконстрикторной реакции кожных сосудов), общее потребление кислорода и выделение углекислого газа (для оценки общей метаболической реакции организма на холод), электрическая активность мышц шеи (для оценки сократительного термогенеза), внутрикожная температура живота (для оценки скорости охлаждения и пороговой кожной температуры инициации термозащитных реакций), ректальная температура (для оценки глубокой температуры тела). За пороговые изменения параметров принимались 0,1 °С для температурных показателей, 1 мл/(мин х кг) для общего потребления кислорода и выделения углекислого газа, 1 мкВ для электрической активности мышц. Показатели температуры измерялись с использованием медно-константановых
термопар. Регистрацию и обработку физиологических параметров проводили с помощью системы «ВЮРАС» (США).
Статистическую обработку результатов исследования проводили, вычисляя среднее арифметическое значение (М), ошибку среднего арифметического значения (т), и представляли в виде М ± т. Достоверность различий оценивали с помощью 1-критерия Стьюдента при парном и групповом сравнении.
Результаты
Эффекты ионофоретического введения АТФ в кожу в исходных условиях, без холодовой нагрузки, представлены в таблице. Как видно из таблицы, температурные показатели, электрическая активность мышц и выделение углекислого газа не изменялись под влиянием АТФ, однако наблюдалось повышение общего потребления кислорода (на 7 %). Это увеличение метаболизма сопровождалось уменьшением на 4,5 % дыхательного коэффициента (отношение количества выделяемого углекислого газа к общему потреблению кислорода).
Для быстрого глубокого охлаждения характерна определенная последовательность терморегуляторных реакций [11, 12]: вначале при снижении только температуры кожи развивается первая фаза усиления метаболизма, характеризующаяся повышением дыхательного коэффициента, затем при большем уменьшении температуры кожи, но также без изменения глубокой температуры тела, инициируется вазоконстрикторная реакция сосудов кожи. Вторая фаза повышения метаболизма, характеризующаяся снижением дыхательного коэффициента, происходит при падении не только кожной, но и глубокой температуры тела и сопровождается увеличением мышечной активности. Такая последовательность реакций наблюдалась и в настоящих экспериментах, и предшествующее
Таблица
Влияние ионофоретического введения АТФ на терморегуляторные параметры
в термонейтральных условиях
Параметр До введения АТФ После введения АТФ Достоверность различия
Температура кожи уха, °С 30,35 ± 0,33 30,56 ± 0,25 р > 0,05
Температура кожи живота, °С 37,41 ± 0,13 37,20 ± 0,16 р > 0,05
Ректальная температура, °С 38,02 ± 0,11 37,89 ± 0,10 р > 0,05
Потребление кислорода, мл/(мин х кг) 22,30 ± 0,80 23,93 ± 0,91 р < 0,01
Выделение углекислого газа, мл/(мин х кг) 14,96 ± 0,57 15,29 ± 0,50 р > 0,05
Дыхательный коэффициент 6,71 ± 0,14 6,41 ± 0,16 р < 0,001
Электрическая активность мышц, мкВ 2,52 ± 0,44 2,27 ± 0,28 р > 0,05
Рис. 1. Влияние АТФ на максимальные величины потребления кислорода в разные фазы метаболического ответа на холод.
А — максимальная величина потребления кислорода в первую фазу повышения метаболизма;
Б — максимальная величина потребления кислорода во вторую фазу повышения метаболизма. Отличие от контрольного значения достоверно: * — при р < 0,05,
*** - при р < 0,001
охлаждению ионофоретическое введение АТФ ее не изменяло.
Введение АТФ не оказывало влияния ни на температурные пороги, ни на величину вазокон-стрикторной реакции кожных кровеносных сосудов. Пороговое снижение температуры этой реакции без ионофореза АТФ и после него составляло соответственно 6,11 ± 0,52 и 6,24 ± 0,80 °С (р > 0,05), величина максимального снижения — 2,06 ± 0,15 и 2,06 ± 0,17 °С (р > 0,05).
АТФ не влияла на температурные пороги метаболической реакции в ответ на охлаждение, но выявились выраженные изменения ее величины. Возрастал прирост потребления кислорода как в первую (на 15 %), так и во вторую фазу метаболической реакции (на 40 %) (рис. 1).
Наиболее значительным оказалось влияние АТФ на сократительный термогенез. АТФ уменьшала латентный период реакции повышения электрической активности мышц с 396,82 ± 64,04 до 169,48 ± 33,44 с (р < 0,01). При введении АТФ снижался также температурный порог инициации этой реакции по ректальной температуре: без введения АТФ пороговое снижение составило 2,12 ± 0,37 °С, с ионофорезом АТФ — 0,86 ± 0,25 °С (р < 0,05). Максимальная величина электрической активно -сти мышц при охлаждении на фоне АТФ возрастала на 85 % по сравнению с контролем (рис. 2).
Обсуждение
Полученные результаты свидетельствуют о том, что уже в термонейтральных условиях ио-нофоретическое введение АТФ в концентрации
0,001 мг/мл приводит к увеличению общего метаболизма, которое сопровождается уменьшением дыхательного коэффициента. Последнее может свидетельствовать об усилении липидного обмена под влиянием АТФ.
Температурные пороги инициируемых термозащитных реакций характеризуют структуру терморегуляторного ответа и являются теми показателями, которые, прежде всего, зависят от активности тер-
морецепторов при воздействии на организм холода или тепла. Температурные пороги инициации эф-фекторных терморегуляторных реакций определяются разными группами терморецепторов, расположенных в коже, мозговых структурах и внутренних органах. Использованный нами специфический способ введения АТФ (ионофорез в кожу охлаждаемой поверхности) предполагает наибольшую концентрацию препарата в области кожных терморецепторов, что могло бы приводить к изменениям порогов по кожной температуре при формировании холодозащитных реакций. То, что АТФ не влияла на пороги по кожной температуре для всех термозащитных реакций, может свидетельствовать об отсутствии значимого воздействия АТФ на активность кожных терморецепторов, по крайней мере, в той концентрации, которая использовалась в настоящих экспериментах (0,001 мг/мл). С другой стороны, уменьшение порога по глубокой темпера-
со
я
В
►2
5
£
о
о
£
ро
Рис. 2. Влияние АТФ на максимальную величину
сократительного термогенеза при действии холода. ** — отличие от контрольного значения достоверно при р < 0,01
Структура терморегуляторного ответа на холод
Рис. 3. Влияние ионофоретического введения норадреналина и АТФ на структуру терморегуляторного ответа при действии холода
туре для инициации холодового сократительного термогенеза может говорить в пользу возможности влияния АТФ на активность внутренних терморецепторных структур.
Согласно сказанному выше, при глубоком охлаждении наряду с уменьшением теплоотдачи инициируется и метаболическая реакция — холодовой термогенез, направленный на увеличение наработки тепла. В настоящем исследовании показано, что под влиянием АТФ наблюдается увеличение как первой фазы экстренного термогенеза, сопровождающейся активацией углеводного обмена, так и второй фазы термогенеза, связанной с усилением липидного обмена, причем усиление второй фазы термогенеза особенно выражено.
Вторая фаза метаболической реакции характеризуется повышением общего потребления кислорода и включает в себя две составляющие — несократительный термогенез, который обеспечивается у крыс в основном увеличением наработки тепла в бурой жировой ткани, и сократительный термогенез, обусловленный наработкой тепла при терморегуляторной сократительной активности мышц. Ранее было показано, что при ионофоретическом введении экзогенного норадреналина в кожу уменьшаются температурные пороги сосудистой реакции и несократительного термогенеза, усиливается метаболическая составляющая терморегуляторного ответа за счет несократительного термогенеза, тогда как ни температурный порог, ни величина сократительного термогенеза не изменяется [13]. Результаты же данной работы свидетельствуют о том, что АТФ в используемой концентрации (0,001 мг/мл), в отличие от норадреналина, усиливает величину метаболической реакции за счет другой составляющей метаболического ответа на холод — сократительного (мышечного) термогенеза (рис. 3), обусловливая повышение потребления
кислорода во вторую фазу метаболического ответа на холод. Увеличение сократительного термогенеза при введении АТФ, по-видимому, связано с хорошо известным процессом использования АТФ в работе Са-АТФазы саркоплазматического рети-кулума, так называемой SERCA1, одного из мышечных энзимов, вовлеченных в теплопродукцию мышц [14, 15]. SERCA1 изменяет распределение энергии, выделяемой при гидролизе АТФ, между процессами теплообразования и транспорта Са2+ в пользу теплообразования. Следовательно, введение АТФ может оказывать влияние как на температурный порог, так и на величину одной из эффекторных составляющих терморегуляторного ответа — сократительного термогенеза.
Итак, введение как норадреналина, так и АТФ, повышая чувствительность организма к холоду, усиливает терморегуляторный ответ. При этом норадреналин в основном способствует активации сосудистой реакции и несократительного термогенеза, тогда как АТФ, несколько усиливая экстренный термогенез, в наибольшей степени влияет на холодовой мышечный термогенез, увеличивая его почти в два раза. Таким образом, активация симпатической нервной системы при действии холода на организм повышает выброс норадреналина и АТФ, которые воздействуют на разные составляющие терморегуляторного ответа.
Список литературы
1. Depocas F., Behrens W.A. Levels of noradrenaline in plasma during thermogenesis induced by cold-expo-sure or by noradrenaline infusion in warm- and cold-acclimated rats // Experientia Suppl. 1978. 32. 35—46.
2. Jansky L. Humoral thermogenesis and its role in maintaining energy balance // Physiol. Rev. 1995. 75. 237-259.
3. Kozyreva T. V., Tkachenko E. Ya., Kozaruk V.P. et al. The effects of slow and rapid cooling on catecholamine concentration in arterial plasma and skin // Am. J. Physi-
ol. Regul. Integr. 1999. 45. (6). R1668-R1672.
4. Kozyreva T.V., Tkachenko E.Ya., Eliseeva L.S. et al. A possible mechanism for noradrenaline involvement in the effector responses to cold exposure //J. Thermal Biol. 2001. 26. (4-5). 505-512.
5. Тарасова О.С., Родионов И.М. Множественность медиаторов в симпатических нервах и регуляция артериального давления // Российская наука: дорога жизни. 2002. 254-262.
Tarasova O.S., Rodionov I.M. Multiplicity of mediators in sympathetic nerves and regulation of arterial pressure // Rossijskaja nauka: doroga zhizni. 2002. 254-262.
6. Horiuchi J., Potts P.D. Effects of activation and blockade of P2X receptors in the ventrolateral medulla on arterial pressure and sympathetic activity // J. Au-ton. Nerv. Syst. 1999. 76. 126.
7. Phillis J.W., Scislo T.J., O’Leary D.S. Purines and the nucleus tractus solitarius: effects on cardiovascular and respiratory function // Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 1997. 24. 738-742.
8. Ralevic V. P2 receptors in the central and peripheral nervous systems modulating sympathetic vasomotor tone // J. Auton. Nerv. Syst. 2000. 81. 205-211.
9. Ralevic V., Thomas T., Burnstock G., Spyer K.M. Characterization of P2 receptors modulating neural activity in rat rostral ventrolateral medulla // Neurosci. 1999. 94. 867-878.
10. Spyer K.M., Thomas T. Sensing arterial CO2 levels: a role for medullary P2X receptors // J. Auton. Nerv. Syst. 2000. 81. 228-235.
11. Козырева Т.В., Верхогляд Л.А. Адаптация к холоду и структура терморегуляторного ответа при медленном и быстром охлаждении // Рос. физиол. журн. 1997. 83. (11-12). 135-142.
Kozyreva T.V., Verhoglyad L.A. Cold adaptation and thermoregulatory response structure during slow and fast cooling // Ros. fiziol. zhur. 1997. 83. (11-12). 135-142.
12. Ткаченко Е.Я., Козарук В.П., Храмова Г.М. и др. Зависимость формирования терморегуляторных реакций на охлаждение от типа активности кожных терморецепторов // Бюл. СО РАМН. 2010. (в печати).
Tkachenko E. Ya., Kozaruk V.P., Khramova G.M. et al. Dependence of formation thermoregulatory responses to cooling on skin thermoreceptor type activity // Byul. SO RAMN. 2010. (in press).
13. Гонсалес Е.В. Адренорецепторные механизмы формирования терморегуляторных реакций и модуляции иммунного ответа при действии быстрого охлаждения на организм: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. 2006.
Gonsales E.V. Adrenoreceptor mechanisms of thermoregulatory responses and the immune answer modulation of the organism by rapid deep cooling: Abstracts of thesis kand. biol. nauk. 2006.
14. Meis L. Uncoupled ATPase activity and heat production by the sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase //J. Biol. Chem. 2001. 276. 25078-25087.
15. Arruda A., Ketzer L., Nigro M. et al. Cold tolerance in hypothyroid rabbits: role of skeletal muscle mitichindria and sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase isoform 1 heat production // Endocrinology. 2008. 149. 6262-6271.
MODULATING EFFECT OF THE ADENOSINETRIPHOSPHORIC ACID ON THERMOREGULATORY RESPONSE AT RAPID DEEP COOLING
Ekaterina Sergeevna MEYTA, Galina Mihajlovna KHRAMOVA, Tamara Vladimirovna KOZYREVA
Institute of Physiology SB RAMS 630117, Novosibirsk, Timakov st., 4
It has been shown experimentally in rats, that ATP, being a noradrenalin co-transmitter in sympathetic nervous system, already under thermoneutral conditions causes the increase in general metabolism which is accompanied by the reduction of respiratory coefficient that can give evidence for lipid metabolism increase. Emergency and, to the greatest degree, muscular cold thermogenesis increases at rapid cooling under the influence of ATP. Considering earlier obtained data, it is possible to believe that at cold exposure, noradrenalin and ATP released from the sympathetic nervous endings exert on the different components of thermoregulatory response: noradrenalin promotes heat loss decrease and nonshivering thermogenesis increase whereas ATP considerably increases shivering thermogenesis.
Key words: thermoregulation, ATP, cold.
Meyta E.S. — post-graduate student of the laboratory of thermophysiology, e-mail: [email protected] Khramova G.M. — researcher of the laboratory of thermophysiology
Kozyreva T.V. — doctor of biological sciences, professor, head of the laboratory of thermophysiology, e-mail: [email protected]
