Особенности энергетического обмена и пула свободных аминокислот тканей в условиях гипокинезии различной длительности Грицук, Александр Иванович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Развитие техники, в том числе компьютерной, широкое внедрение средств автоматизации и механизации в производство и 'быт приводит к увеличению диспропорции между умственным и физическим трудом, снижению объема и интенсивности пышечной деятельности. Активное освоение космического пространства, океана и других необычных сфер обитания связано с пребыванием людей в ограниченном пространстве со значительным уменьшением подвижности. Медицинская практика лечения многих заболеваний и травм сопряжена с пребыванием пациента в условиях постельного режима, существенно ограничивающего двигательную активность. ГК, реально рассматривается как фактор риска в развитии ипіемичііскок болезни сердца, атеросклероза, гипертонической болезни н дру:их тяжелых заболеваний. Проблема ГК имеет еще один важный аі пект, связанный с развитием сельского хозяйства и переводом c.'j па промышленную основу, предполагающим содержание лишотпілл в условиях ограниченной подвижности.

И срязи с этим, ГК является не только актуальной медико-биологической проблемой, а приобретает важное народно-хозяйственное к социальное значение.

Значительный вклад в изучение влияния ГК на организм, внесли работы авторитетных лабораторий, руководимых В. В. Лариным, О. Г. Газенко, А. И. Григорьевым, Е. А. Коваленко, И. В. Федоровым, А. П. Ястребовым и др., основанные на комплексе физиологических, биохимических и клинических исследований, выявивших важнейшие закономерности повреждающего действия ГК на организм, описываемых как гипокинетический синдром. Использование основных гьтодов этих работ несомненно нашло отражение в практике продолжительных космических полетов, профилактике осложнений этого синдрома и решении ряда проблем «земной» медицины (Е. А. Коваленко, 1994).

Между тем, некоторые биохимические стороны этого синдрома остаются нерешенными, сре'ди которых особый интерес представляет нарушения энергетического обмена, играющего центральную роль в реализации всех функций организма. Установлено, что наибольшее изменение энергетического обмена отмечаются в мышечной ткани, что обусловлено ее значительным объемом, наличием тесных связей ее

Принятые сокращения: АК — аминокислоты (названия общепри нятые), АКРУЦ — АК с разветвленной углеводородной цепью, ГНГ — глюконеогенез, ГК — гипокинезия.

метаболических превращений с обменными, процессами других тка
чей, а также тем обстоятельством,, что мышечная ткань является при
ГК тканью-мишенью. -

Однако, данные о влиянии ГК на состояние энергетического обмена, мышечной ткани немногочисленны, фрагментарны и во многом, противоречивы. Так, например, по данным большинства авторов, при обездвиживании животного возрастает потребление кислорода как целым организмом, так и локально, отдельными мышцами (Е. А. Копалонко и др., 1970, 1980, Ю. С. Галушко, 1972, Е. В. Логинова и др., 1975, И. А. Аршавский, 1982)і, тогда как, интенсивность тканевого дыхания миокарда и скелетных мышц, вносящих существенный вклад в общий газообмен, при ГК значительно снижается (Э. С. Г.іаиля)! и др., 1972, 1985, Е. А. Коваленко и др., 1980, И. В. Федоров, 1982). Кроме того,, состояние энергетического обмена жевательной мускулатуры, активность которой при ГК практически сохранена (Е. А. Коваленко и др., 1980, К. В. Смирнов, 1990), ни в контроле, ни при ГК, не исследовалось. Вместе с тем, вопрос о связи между уровнем сохранения функциональной активности мышечной ткани'при ГК и интенсивностью ее энергообмена представляет большой научно-практический интерес.

Совокупность морфо-функциональных нарушений, возникающих в мышечной ткани при- ГК, отражается на состоянии энергетического обмена печени и почек, имеющих многочисленные межорганные взаимосвязи, осуществляющих координацию основных метаболических потоков организма и определяющих, в конечном итоге, его адаптацию к экстремальным- воздействиям. Однако, данные о влиянии ГК на состояние энергетического обмена печени немногочисленны, касаются ГК ограниченной длительности и лишь частично вскры ва^от особенности регуляции и субстратного обеспечения митохондрк-ального окисления (В. Л. Попков и др., 1970, Л. Н. Гринберг, 1972, А. С. "Ушаков и ДР., 1975, Е. А. Коваленко и др., 1980, Э. С. Маи-лян и др., 1985, А. П. Довганский и др., 1989, Т. С. Морозкина и др., 1989). В то же время, влияние ГК на энергетический обмен в почка': практически не исследовалось.

Состояние энергетического обмена в печени и почках в значитель
ной. степени определяет интенсивность ГНГ — главного энергопо-
требллющего процесса, общего для обоих органов. В литературе
имеются лишь единичные данные о влиянии ГК ограниченной про
должительности_: на- активность: ключевых ферментов и интенсивность
ГНГ (Л. Махр и др., 1980, Э. И. Хасина и др., 1986, С. М. Ерши
ков, 1987). .-...

Значительная антипатия протепйза, обнаруженная при FK-(И. В' Федоров, 1982, Rubber eb.al., 1978, Sotar eb.al., 1986, 6oldspm\ft ,_f 1991) имеет исключительно важное значение в механизме нарушений энергетического обмена, и ГИГ, поскольку способ-сто ст. изменению тканевых пулов свободных АК,- играющих свя-, зу..іщук и регуляторную роль в- интеграции, различных метаболических діотоков (Л. И. Нефедов, 1993) и являющихся в экстремальных ситуациях, с одной стороны, субстратами одновременно энергетического обмена и ГЫГ, а с другой — маркерами повреждения. Однако: в литературе практически отсутствуют подробные характеристики гула свободных' АН тканей' и данный- аспект проблемы ГК не ис слі-дован.

D настоящее время, сложились представлення, о прямой! взаимос-в.ізн. ?:ежду интенсивностью мышечной;, деятельности,., состоянием энергетического обмена, пула свободных, АК различных тканей и параметрами гормонального гомеостаза. Причем, ведущая роль в ре/уляции этих процессов пршшдлея)нт' инсулину iv копстрипсуляр-нм.м гормонам: Однако,, анализ, данных-литературы'(И. В. Федоров, 1982. В.. И: Коркач,. 1985) не позволяет, сделать однозначных вы-водои об особенностях, гормональной регуляции в.'динамике длительного гипокинетического воздействия, тем. более что, практически отсутствуют систематические нсследованияі тканевого содержания цАМФ и ц-ГМФ, реализующих многие гормональные эффекты.

' Все вышеизложенное-определило цель исследования, которая заключалась, в комплексном изучении влияния ГК различной продолжительности-на состояние энергетического обмена и характеристики пула сьободных ЛИ миокарда, икроножных,.жевательных мышц, почепи, почек и. плазмы крови, их связи с показателями гормонального юмеостаза. При. этом ставились следующие задачи:

I; Исследовать параметры тканевого^ дыхания И¹ окислительного
фосфорнлировання отдельных: представителей^ мышечной ткани^! ис--
пмгывагощдгх- дефицит активности: различной¹ степени -(икроножная,
сердечная,-жевательная мышца), а также печени и почек, реализую
щих- многочисленные гомсостатические функции-в динамике длитель
ной: 1Ж '

1. Дать развернутую характеристику пулов свободных АІ*. этих тканей'и плазмы і крови во взаимосвязи: с особенностями'их-энергетического¹ обмена,, содержанием: белковых фракций.' крови'и показате-лям.чт гормонопального" гомеостаза' в' различные - сроки: продолжи--тельной. ГК;. . . . --:;.

2. Исследовали, влияние' ПКі различной 'деятельности.' на-, активность ключевых ферментов ГИГ, его" взаимошїзь' с о'собенностями-

митохон'дриального окисления, состоянием пула свободных АК плазмы крови, мышечной ткани,- лечени, почек, и уровнем гормонов в кропи.

4. Оценить состояние гормонального гомеостаза по содержанию инсулина, С—пептида, глюкагона, соматостатина, СТГ, АКТГ в плаз ме крови, цАМФ и цГМФ в миокарде, икроножных мышцах, печени и почках при действии на организм ГК различной продолжительности.

Совокупность поставленных вопросов, составляющих цель и задачи данной работы в литературе не обсуждалась, является спорным или освещена фрагментарно, вместе с тем, они представляют 'большой общетеоретический и практический интерес, поскольку на примере ГК, их решение освещает часть наиболее актуальной проблемы современной биохимии и патофизиологии — механизмов адаптации организма к экстремальным воздействиям.

Научная новизна. В данной работе впервые:

-- проведены систематические и подробные исследования показателей тканевого дыхания и степени сопряжения окислительного фос-форшшрования, вскрыты механизмы его регуляции и субстратного обеспечения в препаратах сердечной, икроножных и жевательных мышц, печени и коркового слоя почек в динамике ГК различной продолжительности.

- установлено, что продолжительность ГК в значительной степени определяет состояние и особенности субстратного обеспечения энергетического обмена мышечной ткани печени и почек. ,

— установлена определяющая роль ж/ирных кислот в энергетике ькроножных мышц и миокарда обездвиженного организма, сопровождающееся комплексом стандартных нарушений — увеличение дыхательной активности со снижением эффективности энергообразования, за счет разобщения окислительного фосфорилирования и уменьшения депонирования макроэргов б форме креатинфосфата. Это обстоятельство объясняет, описанные ранее при ГЦ, феномены повышенного потребления кислорода обездвиженным организмом и отдельными мышцами, а также — увеличения в тканях глубинной, температуры.

-- установлена сходство изменений митохондриального окисления е печени и почках при действии на организм 3—30 суточной ГК, в виде снижения дыхательной активности на 3 и 30 сутки и значительного увеличения таковой на 10 сутки воздействия, тогда как, в условиях 70—140 суточной ГК отмечается стимуляция тканевого дыхания в печени и снижение его в почках.

'4

— показано что при действии на организм 3, 10 и ЗО суточ-
іюі'і Г К, интенсивность ГНГ в печени и почках в большей степени
сопряжена с состоянием митохондриалыюго окисления, чем с со
держанием в них свободных АК. При более длительном воздействии
подобной зависимости не обнаружено.

-- исследована динамика изменений содержания белковых фракций плазмы крови в условиях ГК различной продолжительности. Установлена зависимость между уровнем отдельных белковых фракций, общей суммой белка плазмы крови и интенсивностью протео-лиза в тканях обездвиженного организма.

предложен новый способ оценки качественных и количественных характеристик пула свободных АК тканей, его связи с реакциями ошріетического обмена и другими метаболическими превращениями.

дана продробная характеристика пула свободных АК плазмы крови г.чюкарда, икроножных, жевательных мышц, печени и почек в корме и в условиях действия на организм ГК различной продолжительности.

— - показано, что изменения качественных и количественных ха
рактеристик пула свободных АК изучаемых тканей при ГК сопря
жены с продолжительностью воздействия, состоянием их энергети
чесного обмена, содержанием белковых фракций и гормонов плаз
мы крови.

— обнаружена прямая связь между уровнем фушсцноналыюй
активности мышечной ткани при ГК и состоянием энергетического
обмена и пула свободных АК, в связи с чем показано, что их нару
шении мнимальны в жевательной мускулатуре, сохраняющей при ГК
свою функцию практически в полном объеме и наиболее выражены в
икроножных мышцах, активность которых при ГК значительно снижена.

показано наличие при ГК реципрокной зависимости между интенсивностью бета-окисления жирных кислот в мышечной ткани и содержанием в них и крови определенных метаболических групп АК.

дана развернутая характеристика содержания в плазме крови уровня гормонов — инсулина, С—пептида, глюкагона, сомато-статнна, СТГ, АКТГ и концентрации цАМФ и цГМФ в ткани миокарда, икроножных мышц, печени и почек обездвиженного организма определяющих состояние их энергетического обмена, интенсивность ГНГ и параметры пула свободных АК.

Таким образом, на защиту выносятся следующие положения:

1. ГК различной продолжительности оказывает существенное влияние на состояние и субстратное обеспечение митохон'дриально-

го окисления миокарда, .икроножных, жевательных мышц, печени и і почек. .

' 2. 'Качественные и количественные характеристики пула свободных АК плазмы крови, сердечной, ш;ронол;ных, жевательных мышц, печени и коркового слоя почек -при 'ГК в значительной мере обусловлены продолжительностью воздействия, определяющей в указанных іканях (Состояние энергетического обмена, интенсивность протео-, яиза, содержание .в'плазме'.крови белковых фракций и гормонов.

' о, В динамике 'продолжительной- ГК состояние митохондрнально-го окислення и сопряженных с ним пулов свободных АК в икроножной, сердечной и жевательной мышцах в значительной степени оп- ределяются уровнем .сохранения их функциональной активности.

4. Активность ферментов ТНГ в печени и почках при ГК про
должительностью до 30 суток изменяется однонаправленно в пря-

лі.'іі зависимости от состояния мптохондрнальиого окисления, тогда -как при более длительном воздействии наблюдается иная зако-' но .іерность.

5. Р. процессе действия ГК различной продолжительности проис
ходят значительные изменения продукции и содержания в крови ин
сулина, констринсулярных гормонов, определяющих особенности пу
ла" свободных АК, состояние и субстратное обеспечение энергети-

' ческого обмена различных тканей.

Научно-практическая значимость. Диссертационная работа носит фундаментальный характер. Теоретические и практические результаты 'работы вносят существенный вклад в разработку проблемы патогенеза гипокинетического синдрома, главным элементом которого, я и. іяетея. вызванное снижением двигательной активности, нарушение в тканях энергетического, обмена, в виде разобщения окислительного фосфорплирован'ия, снижения депонирования; макроэргов, неэкономного, расточительного "использования субстратов, способствующих редкому усилению Катаболг.ческих процессов в тканях, уменьшению Чтощсй»''массы организма, 'его пластического потенциала, адаптивных возможностей и развитию астенизацин. Совокупность получек-'Нг.іх 'данных' освещает новые, ранее неизвестных механизмы развития стойкой -"'гипогликемии, -характерной для продолжительной ГК.

. Р результате проведенных исследований получены доказательства сопряженности при ГК изменений энергетического обмена активности ГНГ, состояния пула свободных АК, гормонального статуса, что^;т\;о5кет ^:служить основой для разработки методов патогенетиче-'. с;:ой коррекции -различных энергазависимых функций, в том числе и Г.Н^р. .путем нормализующего воздействия иа энергетический обмен.

Для моделирования эффектов ГК у лабораторных животных разработана апро'бирована и предлоя^ена новая, оригинальная конструкция клетки, отличающейся рядом преимуществ перед существующими іїгд.оіапи — дешевизной, гигиеничностью и малой травматично-сть:о содержания животного, возмоя^ностью регулирования степени «ял сі пости» воздействия, простотой изготовления, эксплуатации и т.д.

На основании проведенного исследования, подготовлены предложения для внедрения в учебный процесс данных о влияний ограничения двигательной активности на состояние митохондриального окисления мышечной ткани, миокарда, печени и почек для студентов 2 и 3 курсов медицинских институтов в курсе биохимии и патологичес кой физиологии по темал: - Биохимия мышечной ткани», «Патоген нос действие факторов впей ней среды на организм», «Типические нарушения энергетического обмена». Предлоягения внедрения и ис-полъуутг.тся в учебном процессе на кафедрах биохимии и патологической физиологии' медицинских институтов (МЗ РБ) г. Минска, Гомеля, Гродно, Уральского медицинского института (МЗ -РФ),, кафедре физиология к биохимии Марийского госуниверситета iMBCCO РФ)..

Ар.рсбация работы: Основные положения дисертацпн докладывались па:

1. IV и V Всесоюзных биохимических съездах (Ленинград — 1979, Киев — 1986), XV Всесоюзном съезде физиологического общества им. И. П. Павлова (Кишинев' — 1989).

2. Всесоюзных конференциях (Владивосток — 1978, Ленинград — 1981, Ереван — 19,83,, Телави — 1985, Чита — 1986, Екатеринбург — 1992).

3. VI—IX Всесоюзных семинарах по проблеме «Регуляция энер-
I істї;чєского обмена, и физиологическое состояние, организма»

(Пущино — 1978, 1979, 1980, 1985).

4. Региональных конференциях по 'биохимии и патофизиологии
(Свердловск —. 1978, 1986, 1991, Томск — 1980, Пермь —
1986).

Б'. Вузовских научных конференциях (Свердловск '— 1987, 1991), межкафедральных заседаниях (Екатеринбург — 1992, 1995, Гомель — 1994, 1995).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 26 научных
работ. . . : ,

Объем и структура работы: Диссертация изложена на 367 страницах и состоит из: введения, обзора литературы, главы «Методы исследования», трех глав собственных исследований, общего заклю-

чения. выводов и указателя литературы. Основной материал изложен на 231 стр, иллюстрирован 77 таблицами и 64 рисунками. Библиография содержит 343 источника, из них 186 на русском и 147 иностранных языках.