Введение к работе
Актуальность исследования. Изучение механизмов адаптации организмов к воздействию экстремальных факторов – фундаментальное направление в биологии, связанное с вопросами взаимодействия организма и среды (Казначеев В.П., 1980; Агаджанян Н.А., 1997; Баевский Р.М. и др., 2001; Братель И.Н., 2004). В процессе эволюции у животных организмов возникли различные формы адаптации, позволяющие выживать в широком диапазоне колебаний природных факторов (Wang L.C., Lee T.F.,1996; Hochachka P.W., Somero G.N., 2002; Storey K.B., Storey Y.M., 2002; Hochachka P.W., 2003). Выживание организмов в этой ситуации будет определяться эффективностью регуляторных механизмов поддержания энергетики клетки.
Главным фактором, определяющим выживаемость организмов при экстремальных воздействиях, является устойчивость организмов к гипоксии (Boutilier R.G., 2001; Hochachka P.W., 2002). Решением проблемы энергетики для пойкилотермных и некоторых гомойотермных организмов является снижение потребности в энергии, которое достигается регулируемым снижением метаболизма (гипометаболизм) (Boutilier R.G., 2001; Hochachka P.W., 2002; Carey H.V. et. al., 2003).
Однако большинство млекопитающих обладают очень низкой врожденной толерантностью к гипоксии и гипотермии.
Вместе с тем, гипометаболические состояния у большинства гомойотермных организмов возникают при воздействии целого ряда экстремальных факторов (гипоксия, гипотермия и т.д.). Задачей адаптации энергопроизводящих систем организма при этом является реорганизация физиологии клетки к новому уровню энергетических возможностей.
При существенных колебаниях энергетического метаболизма возрастает вероятность нарушения баланса между скоростью продуцирования активных форм кислорода (АФК) и состоянием антиоксидантной системы. Это ведет к развитию окислительного стресса, глубина которого зависит от степени дисбаланса между этими двумя системами (Барабой В.А., 1991; Владимиров Ю.В., 2000; Зенков Н.К., 2001; Toien O. et al., 2001; Hermes-Lima M., Zenteno-Savin T., 2002). Однако кроме общих закономерностей нарушений свободнорадикальных процессов, существует множество частных механизмов реакции организма на воздействие экстремальных факторов. Многие клетки и ткани обладают целым набором адаптивных ответов на молекулярном уровне, определяющих различную степень толерантности тканей и органов к гипоксии.
Цель исследования. Выявление клеточно – молекулярных особенностей адаптации пойкилотермных и гомойтермных организмов к экстремальным ситуациям.
Задачи исследования:
1. Исследовать активность ферментов энергетического обмена (ГДГ, АСТ и АЛТ) в норме, при гипотермии крыс и сусликов, а также при гипоксии крыс.
2. Изучить влияние мочевины, даларгина, альфа-токоферола, перекрестные эффекты многократной гипотермии, гипоксии,УФ-облучения на активность ферментов в тканях крыс.
3. Изучить показатели перекисного окисления липидов в норме и при гипотермии у крыс и сусликов.
4. Изучить влияние альфа – токоферола и УФ – облучения на состояние окислительно - антиоксидантной системы в норме и при нитритной гипоксии у крыс.
5. Исследовать показатели окислительно-антиоксидантной системы, белкового и липидного обменов у молоди различных видов рыб при нитритной гипоксии.
6. Оценить состояние окислительно-антиоксидантной системы при железодефицитной анемии у женщин и экспериментальной внутриутробной нитритной гипоксии у крыс.
7. Исследовать состояние окислительно-антиоксидантной системы, морфофизиологические и биохимические показатели крови при токсической гипоксии наркозависимых.
8. Изучить кислотную резистентность эритроцитов при гипоксии различного генеза в качестве интегрального показателя состояния клеточных мембран.
Научная новизна. Выявлены клеточно-молекулярные особенности адаптации живых организмов в экстремальных ситуациях. Особенности реакции ферментов энергетического обмена (ГДГ, АСТ, АЛТ) при гипотермии и гипоксии у крыс указывают на участие их в общей адаптивной реакции, обеспечивающей выживание животных в экстремальной ситуации. Показана эффективность адаптогенов (мочевины, даларгина, – токоферола, УФ – облучения) при гипоксических состояниях различного генеза у крыс, а также перекрестные эффекты многократной гипотермии и гипоксии.
При экстремальных ситуациях (гипотермия, гипоксия различного генеза) у животных, анемической и токсической гипоксии человека обнаружена активация процессов перекисного окисления липидов, указывающая на развитие «окислительного стресса» - ключевого звена общей стрессорной реакции. Степень дисбаланса окислительно-антиоксидантной системы связана с природой экстремального фактора и видом животного. Увеличение активности систем антиоксидантной защиты адекватно активации ПОЛ является проявлением адаптивных реакций, обеспечивающих резистентность организмов к экстремальной ситуации.
Получены новые данные дозо- и хронозависимого влияния нитрита натрия на выживаемость, показатели перекисного окисления липидов, общую антиоксидантную и каталазную активности, липидный и белковый обмены молоди различных видов рыб. На основании видовой специфичности реакции рыб на нитритную гипоксию делается заключение о высокой толерантности кутума к действию гипоксанта, по сравнению с представителями хрящевых гоноидов – русского осетра и севрюги.
Разработана модель внутриутробной нитритной гипоксии, позволившая оценить состояние окислительно - антиоксидантной системы, состояние белкового и липидного обменов в системе «мать-плод» у крыс и выявить особенности компенсаторных механизмов у плодов.
Выявлены характерные нарушения в окислительно - антиоксидантной системе, содержании морфофизиологических показателей крови, фракционном составе белков, при токсической гипоксии у наркозависимых лиц, свидетельствующие о срыве адаптационного потенциала.
Дана сравнительная оценка кислотной резистентности эритроцитов в качестве интегрального показателя мембранных нарушений при гипотермии и гипоксии различного генеза у крыс. Установлена взаимосвязь между резистентностью эритроцитарных мембран и состоянием ПОЛ-АОС.
Теоретическая и практическая значимость. Диссертационная работа выполнена в русле интегративной физиологии человека и животных. Изучение клеточно-молекулярных особенностей реакции различных организмов при воздействии экстремальных факторов (гипотермия и гипоксия различного генеза) имеет теоретическое и практическое значение для представления о формировании адаптационно-компенсаторных реакций организма, развитии окислительного стресса - ключевого звена общей стрессорной реакции и решения проблемы биологической устойчивости различных животных к экстремальным факторам.
Выявленные особенности реакции ферментов энергетического обмена при воздействии экстремальных факторов вносят определенный вклад в понимание механизмов их регуляции при компенсаторных и адаптивных реакциях организма.
Теоретическую и практическую значимость имеют продемонстрированные в работе адаптивные возможности мочевины, даларгина, УФ – облучения, многократные тренировки животных к непродолжительным воздействиям стресс факторов, а также представления о механизмах нитритной гипоксии у рыб. С учетом обнаруженной видовой специфичности рыб к воздействию нитритов могут быть выработаны практические рекомендации к допустимому уровню загрязнения нитритами искусственных водоемов, предназначенных для воспроизводства рыб.
Сходство параметров внутриутробной нитритной гипоксии у крыс и железодефицитной анемии у женщин позволяет рекомендовать разработанную нами экспериментальную модель для изучения метаболического статуса системы «мать-плод» при гипоксических состояниях.
Напряжение компенсаторных механизмов при токсической гипоксии у наркозависимых, с сохраняющимися признаками окислительного стресса в период ремиссии, указывает на необходимость включения в комплекс реабилитационных мер эффективных препаратов антиоксидантной направленности.
Материалы работы включены в лекционные курсы и находят применение на занятиях по физиологии, экологической физиологии, физиологических практикумах в Дагестанском государственном университете, отражены в отчетах Дагестанского научного центра РАМН.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Особенности реакции глутаматдегидрогеназы в различных тканях крыс при глубокой гипотермии и выходе из нее, а также перекрестные эффекты многократной гипотермии и гипоксии указывают на адаптивную направленность активности фермента мозга.
2. Неспецифический характер изменения активности аминотрансфераз (АСТ и АЛТ) у крыс при гипотермии и гипоксии свидетельствует о вовлечении ферментов, сопрягающих углеводный и аминокислотный обмен, в общую адаптивную реакцию организма.
3. У крыс при гипотермии, в отличие от сусликов, активируются процессы перекисного окисления липидов в мозге. Многократная гипобарическая гипоксия предотвращает развитие окислительного стресса при гипотермии у крыс в результате формирования более эффективной антиоксидантной системы, обеспечивающей защиту при гипотермическом стрессе.
4. Толерантность кутума к нитритной гипоксии, по сравнению с русским осетром, обеспечивается мобилизацией компенсаторных механизмов, связанных с повышением активности систем антиоксидантной защиты, изменением белкового и липидного обменов.
5. Поддержание высокого уровня активности систем антиоксидантной защиты мозга у плодов крыс в модельных экспериментах внутриутробной нитритной гипоксии, является отражением компенсаторных реакций в системе «мать – плод».
6. Характерные для токсической гипоксии человека нарушения морфофизиологических и биохимических показателей крови свидетельствуют о напряжении компенсаторных механизмов и развитии окислительного стресса.
7. При исследовании кислотной резистентности эритроцитов установлена взаимосвязь между состоянием клеточных мембран и состоянием ПОЛ – АОЗ, связанных с природой экстремального фактора.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и представлялись на ежегодных научно-практических конференциях Дагестанского государственного университета, Махачкала; Всесоюзном симпозиуме «Механизмы пластичности мозга при функциональных и патологических воздействиях», 1982, Махачкала; Всесоюзной научной конференции «Механизмы природных гипометаболических состояний», 1991, Пущино - на – Оке; II и 111 Российском форуме «Мать и дитя», 2000, 2001, Москва; Международных научных конференциях «Новые технологии в защите биоразнообразия в водных экосистемах», 2002, МГУ, «Биотехнология – охране окружающей среды», 2004, МГУ, Москва; Международной биотехнологической конференции, 2005, Монреаль, Канада; V Международной научной конференции «Медицинская экология», 2006, Пенза; III Научно - практической конференции «Новые технологии в медицине», 2006, Махачкала; Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные аспекты жизнедеятельности человека на Севере», 2006, Архангельск; VI Межвузовской конференции с международным участием «Обмен веществ при адаптации и повреждении», 2007, Ростов-на-Дону; II1 Международной научно-технической конференции, 2007, Тольятти; XIV Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь», 2008, Пенза; Международной конференции «Эффективная и доказательная наркология в эпоху ВИЧ», 2008, Москва; ХХI Съезде физиологического общества имени И.П. Павлова, 2010, Москва-Калуга; Всероссийской научной конференции «Модернизация науки и образования», 2011, Ростов-на-Дону – Махачкала.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 69 работ, общим объемом 13,25 п.л. (авторский вклад 10,08 п.л.), статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций – 16, статьи в прочих рецензируемых журналах – 20, статьи в материалах международных научных конференций – 33.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материала и методов исследования, главы собственных исследований, заключения, выводов и библиографического списка. Диссертация изложена на 333 страницах, содержит 47 таблиц и 27 рисунков. Список литературы включает 678 источников, в том числе 206 иностранных.
