Введение к работе
Актуальность
Изучение механизмов функционирования и регуляции работы клеток и органов является важным вопросом физиологии. Хрусталик глаза, обеспечивая светопропускание и фокусировку света на сетчатке, обладает набором особенностей, определяющих его структуру и методы изучения. Среди них: постоянный рост в течение всей жизни, реализация метаболических процессов без непосредственного контакта с кровотоком, очень глубокая дифференцировка клеток, сопровождающаяся синтезом структурных белков и утратой органелл. Баланс между различными сигнальными и метаболическими путями, регулирующими развитие и функционирование данного органа, реализуется в слабо- и умеренно-дифференцированных клетках внешних слоёв хрусталика. Таким образом, хрусталик глаза является подходящей моделью для изучения молекулярных механизмов реализации физиологических функций и их поддержания на этапах, длительность которых сопоставима со временем жизни организма.
В качестве основного движущего фактора старения и нарушения функций хрусталика традиционно рассматривается деструктивное действие активных форм кислорода (Truscott, 2005; Berthoud, Beyer, 2009). С другой стороны, в последние 5-10 лет всё больше внимания уделяется сигнальной функции активных форм кислорода, изучению их участия в нормальных физиологических процессах клетки – пролиферации, дифференцировке, адаптационных процессах (Wang, Lou, 2009; Cassano et al., 2010; Emerling et al., 2009). Также, малоизученными остаются аспекты взаимного влияния свойств и модификаций липидов и белков хрусталика в ходе постнатального онтогенеза и их связь с реализацией оптических функций хрусталика.
Структурно-функциональное состояние белков и липидов хрусталика обуславливает его функционирование. В связи с этим, комплексное изучение параметров белков и липидов хрусталика, а также оценка влияния свободно-радикальных процессов на структуру липидов и белков на протяжении жизни актуальны как в контексте выполнения хрусталиком своих физиологических функций, так и для исследования молекулярных и физиологических механизмов старения.
Цель и задачи исследования
Цель работы - исследование структурно-функциональных параметров мембран, модификаций липидов и белков хрусталика крыс в постнатальном онтогенезе.
Основные задачи исследования.
1. Исследование возрастной динамики интенсивности окислительных процессов в хрусталиках крыс, ферментативных и неферментативных компонентов антиоксидантной защиты.
2. Исследование динамики белковых модификаций и структурных параметров протеома хрусталика в постнатальном онтогенезе крыс.
3. Оценка структурных особенностей мембран хрусталика в ходе постнатального онтогенеза крыс.
4. Анализ взаимосвязей исследуемых параметров окислительных и структурных процессов с динамикой роста хрусталика и реализацией его оптических функций.
Научная новизна
Впервые исследована динамика интенсивности окислительных процессов в хрусталике крыс. Установлено снижение в процессе старения интенсивности свободно-радикальных процессов в липидной фракции хрусталиков крыс. В хрусталике крыс впервые изучена возрастная динамика активности каталазы и супероксиддисмутазы. Максимальная активность каталазы и супероксиддисмутазы наблюдается в возрасте 1 мес. и 12 мес.
Выявлена прямая корреляция между содержанием двойных связей и уровнями липофильных антиоксидантов (токоферола и ретинола) в хрусталике крыс в процессе постнатального онтогенеза.
Установлено возрастное снижение содержания фосфолипидов и увеличение доли сфингомиелинов в мембранах хрусталика крыс, что связано с замедлением темпов роста хрусталика, снижением ненасыщенности и увеличением устойчивости к окислительным процессам.
Показано, что снижение темпов роста хрусталика в возрасте 6-12 мес. сопровождается совокупными изменениями липидного состава мембран, структуры белков и интенсивности окислительных процессов.
Установлено, что баланс между окислительными и структурными процессами в липидах и белках мембран и цитозоля клеток хрусталика определяет светопропускающую функцию хрусталика на поздних возрастных этапах.
Теоретическая и практическая значимость работы
Полученные результаты вносят существенный вклад в понимание молекулярных и физиологических механизмов развития и старения хрусталика и поддержания его оптических свойств. Совокупность полученных экспериментальных данных позволяет выявить физиолого-биохимические особенности развития хрусталика крыс на различных возрастных этапах. Полученные данные позволяют оценить роль активных форм кислорода, структуры мембран и белков, как в выполнении физиологических функций хрусталика, так и в отношении механизмов старения организма в целом.
Экспериментальные данные, полученные в настоящей работе, могут быть использованы при разработке новых подходов и методов профилактики и терапии возрастных нарушений физиологических функций хрусталика, таких как дальнозоркость и катаракта.
Новые сведения о возрастной динамике структурно-функциональных характеристик липидов и белков хрусталика могут быть включены в учебные курсы по физиологии и биохимии при подготовке специалистов, ветеринарного и медико-биологического профиля.
Положения, выносимые на защиту
1. Интенсивный рост хрусталика (1-6 мес.) сопровождается снижением активности окислительных процессов. Структура мембран хрусталика характеризуется максимальными значениями уровня ненасыщенности и доли фосфолипидных компонентов.
2. Период замедления темпов роста хрусталика (6-12 мес.) характеризуется активацией синтеза белка, увеличением концентрации водонерастворимого белка, ростом интенсивности окислительных процессов и активности ферментативного звена антиоксидантной защиты.
3. В период 6-12 мес. наблюдается обогащение мембран холестерином, увеличение уровня поверхностной гидрофобности белков, переход восстановленных тиолов в мочевино-растворимую фракцию. При этом активация окислительных процессов и структурных перестроек не сопровождается возникновением помутнений в хрусталике.
4. Поздний возрастной этап (12-24 мес.) характеризуется минимальными темпами прироста массы хрусталиков, что сопровождается ростом концентрации общего и нерастворимого белка, синтезом насыщенных липидных компонентов хрусталика. Интенсивность окислительных процессов на мембранах снижается до минимальных значений, тогда как уровни белковых модификаций в цитозоле клеток хрусталика значительно возрастают.
Апробация работы
XXII межрегиональная научно-практическая конференция с международным участием «Новые технологии микрохирургии глаза», Оренбург, 18 ноября, 2011; Международная заочная научно-практическая конференция «Актуальные научные вопросы: реальность и перспективы», Тамбов, 26 декабря, 2011; II Международная научно-практическая интернет-конференция "Проблемы и перспективы развития науки в начале третьего тысячелетия в странах СНГ", Украина, Переяслав-Хмельницкий, 26-28 мая, 2012; XIII Международная научная конференция: «Актуальные вопросы науки и образования», Москва, 21-23 мая, 2012; II Всероссийская научная сессия молодых ученых и студентов «Современные решения актуальных научных проблем в медицине», Нижний Новгород, 14-15 марта, 2013; 17-я Международная Пущинская школа-конференция молодых учёных «Биология – наука XXI века», Пущино, 22-26 апреля, 2013.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, из них 3 публикации в журналах рекомендованных ВАК.
Объём и структура диссертации
Диссертация изложена на 145 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, характеристики материалов и методов исследования, результатов исследования и их обсуждения, заключения, выводов. Список цитируемой литературы включает 202 источника (8 отечественных и 194 зарубежных). Работа содержит 36 рисунков и 8 таблиц.
