Биохимические механизмы формирования фаз неспецифической адаптивной реакции организма при различных интенсивностях раздражителей
Б.М. Кершенгольц
КЕРШЕНГОЛЬЦ Борис Моисеевич - д.б.н., акад. АН РС(Я), в.н.с ИБПК СО РАН, проф., зав.каф. БГФ ЯГУ,
Адаптации можно определить как изменения триединого потока энергии, информации и вещества в организме (прежде всего за счет изменений их регуляций) в условиях действия на него постоянно изменяющихся раздражителей внешней и внутренней среды, в целях сохранения адекватности уровня гомеостаза количественным и качественным характеристикам этих раздражителей.
Изменения потока информации происходят за счет: регуляций генетической активности (процессов матричных биосинтезов) при самых разнообразных рецепциях; совокупности процессов мутаций и репараций; клеточного апоптоза, а таюке при действии на организм электромагнитных излучений низкой (или сверхнизкой) интенсивности (10~3 - 10 Вт/м2) по энергоинформационным механизмам (Кудряшов и др., 1999), возможно, полей и иной природы.
Потоки вещества и энергии теснейшим образом взаимосвязаны между собой и включают в себя не только поступление из внешней среды "строительных" и "энергетических" молекул. В первую очередь, они определяются соотношением биоэнергетических (катаболических, синтез АТФ) и биосинтетических (анаболических) реакции, протекающих в клетках. Причем ведущими в этом комплексе биохимических адаптационных реакций являются биоэнергетические потоки.
Именно качество и количество биоэнергетических реакций, по нашему мнению, определяют и уровень анаболических реакций (включая интенсивность биоинформационных потоков - реакций матричных биосинтезов), и активность систем защиты информационных потоков (антиоксидантных систем; систем репарации ДНК, клеточного апоптоза; иммуно-реактивность и т.д.). Не зря один из основных регуляторных белков апоптоза находится в межмембранном пространстве митохондрий -энергетических станций клетки (Скулачев, 1996). В конечном итоге именно биоэнергетические процессы определяют формирование той или иной фазы неспецифических адаптивных реакций (НАР).
Известно, что фазы НАР (тренировка, активация, стресс, арреактивность) зависят в первую очередь от соотношения интенсивности катаболических (синтез АТФ) и анаболических (биосинтез новых низкомолекулярных биологически активных веществ и биополимеров) реакций (Гаркави и др., 1979; 1998).
При действии раздражителей относительно малой интенсивности катаболические и анаболические реакции протекают с невысокими и соизмеримыми скоростями, что является характерным для фазы НАР "тренировка".
При действии раздражителей средней интенсивности катаболические и анаболические реакции протекают с высокими и соизмеримыми скоростями, что является характерным для фазы НАР "активация".
При действии высокоинтенсивных раздражителей скорости катаболических и анаболических реакций становятся несоизмеримыми: биоэнергетические процессы активируются, а биосинтетические - резко ингибируются, формируется фаза НАР "стресс" (в ряде случаев "переактивация").
Действие раздражителей еще большей интенсивности приводит к формированию фазы "арреактивности", в которой скорость катаболических реакций резко снижается, вновь приходя в соответствие с весьма низкими скоростями анаболических процессов.
В норме дальнейшее повышение интенсивности раздражителя вновь приводит к формированию фазы НАР "тренировка", но более высокого энергетического уровня, и так далее.
Почему в той или иной фазе НАР при действии раздражителей различной интенсивности могут формироваться только такие соотношения катаболических и анаболических реакций?
Мы считаем, что ведущим в формировании той или иной фазы НАР в зависимости от интенсивности раздражителя является переключение биоэнергетических процессов на тот или иной основной путь синтеза АТФ.
Существуют следующие основные системы генерации АТФ в клетке, организме, последовательно активирующиеся в зависимости от интенсивности действующего раздражителя.
1. При малых интенсивностях раздражителя - аэробное окисление углеводов (глюкозы), при котором образуется 0,211 моль АТФ/г глюкозы. В ряде типов клеток (гепатоциты, эритроциты, мышечные клетки в условиях дефицита кислорода и некоторые другие) - анаэробное окисление глюкозы до молочной кислоты, при котором образуется 0,011 моль АТФ/г глюкозы.
При этом цикл трикарбоновых кислот (ЦТК; цикл Кребса) протекает без затруднений, в нем образуются промежуточные продукты (сырье для анаболических реакций синтеза ряда аминокислот, нуклеотидов, порфиринов и т.д.) в таком количестве, которое адекватно количеству окисляемой глюкозы. Аминокислоты не окисляются, а участвуют в синтезе новых белков (ферментов), необходимых для формирования функциональной ответной адаптивной реакции организма. Последняя заключается в возникновении "адаптивного ферментативного структурного следа" (АФСС) - в активации тех ферментативных систем, которые и обеспечивают ответную реакцию организма, адекватную природе и интенсивности раздражителя (Меерсон, 1981; 1993; Кершенгольц, 1996).
Т.е. интенсивности катаболических и анаболических реакций невысоки и сбалансированы (это и есть фаза НАР "тренировка"), не происходит истощения ни углеводных (гликоген), ни липидных (жировая ткань), ни аминокислотных (резервные белки) ресурсов при условии достаточности питания, прежде всего белково-углеводного.
2. При средних интенсивностях раздражителя начинает доминировать аэробное окисление жирных кислот (липидов), при котором образуется 0,511 моль АТФ/г, например трипальмитинового жира.
ЦТК при условии параллельного окисления небольшого (затравочного) количества глюкозы также протекает без затруднений и интенсивно. Т.е. АТФ образуется в 2,4 раза более эффективно по сравнению с окислением глюкозы. В ЦТК в повышенных количествах образуются промежуточные продукты - сырье для ряда анаболических реакций. Причем их количество остается адекватным количеству окисляемых липидов, прежде всего триацилглицеридов. Аминокислоты (АК) также не окисляются (наоборот, заменимые АК интенсивно синтезируются de novo из промежуточных продуктов ЦТК) и расходуются на синтез новых белков (ферментов), необходимых для формирования интенсивного АФСС.
Т.е. интенсивности катаболических и анаболических реакций высоки и сбалансированы (это и есть фаза НАР "активация"). При этом не только не происходит истощения углеводных (гликоген), липидных (жировая ткань) или аминокислотных (резервные белки) ресурсов, они наоборот увеличиваются за счет протекания анаболических реакций в режиме "суперкомпенсации" (естественно, при достаточном питании, прежде всего белково-липидном). Разрабатываемая концепция позволяет также предположить, что для формирования "позитивных" фаз НАР ("тренировка" или "активация") в процессе адаптации организма к экстремальным условиям среды (климатическим, токсикогенным, социальным, психогенным и др.) наиболее адекватным является белково-липидный тип питания.
3. При высоких интенсивностях раздражителя в реакции биоэнергетического аэробного окисления вступают аминокислоты (белки; биоэнергетический "неприкосновенный запас"), при которых образуется 0,202 моль АТФ/г, например аланина. Но так как при этом истощается пул аминокислот, то и интенсивность синтеза новых белков, ферментов резко снижается. Уменьшается активность АФСС, скорость синтеза других белков, включая антитела, т.е. снижается иммунореактивность, активность других защитных систем (синтез низкомолекулярных и ферментативных антиоксидантов, активность систем репарации ДНК, содержание белков апоптоза и др.). Нарушается сбалансированность между ката- и анаболическими реакциями - активируется катаболизм при ингибировании анаболических процессов (это и есть "негативные" фазы НАР "острый стресс" или "переактивация").
Переходными являются фазы НАР "неустойчивая тренировка" или "неустойчивая активация".
В дальнейшем, в случае невыхода организма из этих "негативных" фаз НАР, истощаются резервы не только аминокислот, но и углеводов, липидов (жиров), еще сильнее падает функциональная активность всех систем, в том числе неспецифической и специфической защиты, формируется фаза НАР "хронический стресс".
Однако в норме при формировании фазы НАР "острый стресс" или при еще более высоких интенсивностях раздражителя активируется аэробное окисление самого крайнего биоэнергетического резерва - эндогенного этанола (ЭЭ; физиологическая концентрация в крови, например, человека " 0,1 мМ), при котором образуется 0,370 моль АТФ/г этанола (Кершенгольц, 1992; Колосова, 1998; Кершенгольц, Ильина, 1998), Запасы его, конечно, невелики и ЭЭ дает весьма малый вклад в интенсивность биоэнергетических реакции, но, во-первых, эта активация катаболизма не связана с дальнейшим истощением запасов аминокислот. Во-вторых (по-видимому, самое важное), при окислении ЭЭ в качестве промежуточного продукта образуется эндогенный ацетальдегид (ЭА; физиологическая концентрация я 1 мкМ), который мягко ингибирует основной процесс синтеза АТФ - митохондриальное окислительное фосфорелирование стадии переноса электронов от НАДН-оксидазы на флавопротеид (Комиссарова и др., 1983).
Прекращается дальнейшее окисление аминокислот, липидов, углеводов, кроме анаэробного гликолиза, в котором образуется молочная кислота, а при ее декарбоксилировании образуется дополнительное количество ЭЭ (Shoubridge, Hochachka, 1980). Т.е. резко, но физиологически снижается интенсивность практически всех (кроме анаэробных) биоэнергетических реакций. Она становится адекватной очень низкому уровню анаболических процессов, Накапливаются промежуточные продукты цикла Кребса, способные превращаться далее в заменимые аминокислоты, порфирины, нуклеотиды, глюкозу (в процессах глюконеогенеза) и другие молекулы, являющиеся сырьем для дальнейшего анаболического синтеза. Т.е. постепенно восстанавливаются пулы глюкозы, аминокислот и т.д., активируются первичные анаболические процессы. Но скорость синтеза биополимеров (нуклеиновых кислот и белков, в т.ч. ферментов), т.е. интенсивность вторичных анаболических процессов и функциональная активность остаются низкими в условиях дефицита АТФ. Снижается, в том числе, и концентрация белковых рецепторов на внешнеклеточные раздражители и регуляторы. Формируется фаза "арреактивности" клеток. Клетки и организм в целом почти перестают реагировать на внешние раздражители. В этот период постепенно продолжается восстановление ресурсов углеводов, нуклеотидов и аминокислот (далее нуклеиновых кислот и белков). Обеспечивается переход в фазу НАР "тренировка" более высокого энергетического уровня.
При снижении уровня (истощении) запасов ЭЭ формирование фазы "арреактивности" затруднено. При этом дальнейшая трансформация фазы НАР "стресс" приведет к формированию фазы "хронический стресс", к возникновению тех или иных патологий.
Компенсаторное восстановление уровня ЭЭ малыми дозами экзогенного алкоголя приведет к облегчению перехода фазы НАР "стресс" в фазу "арреактивности" и далее "тренировки". Важно, чтобы при этом повышенные концентрации этанола, особенно ацетальдегида, не стали привычными, чтобы не начала формироваться метаболическая, а затем психическая и физическая зависимость от алкоголя (Кершенгольц, Ильина, 1998; Kershengoltz et.al, 2001),
Следует также отметить, что вышеизложенная концепция биохимических механизмов формирования различных фаз НАР в организме человека позволяет прогнозировать и индивидуальные (популяционные) особенности формирования фаз НАР (адаптивного потенциала) организма. Например, повышение уровня ЭА, затем ЭЭ, в крови за счет генетически или фенотипически обусловленной более высокой активности алкогольдегидрогеназы (АДГ) и пониженной - альдегиддегидрогеназы (АльДГ) (но при условии отсутствия или низкого уровня потребления экзогенного алкоголя) приведет к более легкому формированию фазы "арреактивности", повышению адаптивного потенциала по отношению к таким природным экстремальным стресс-факторам, как повышенная интенсивность геомагнитного поля (до 10'4 Вт/м2 в северных широтах; Кудряшов и др., 1999), холодовой фактор, интенсивные физические нагрузки и т.д.
Интенсивное же потребление экзогенного алкоголя такими людьми приведет к обратному эффекту - резкому снижению их адаптивного потенциала, преимущественному формированию фазы НАР "стресс" или "переактивация", затруднениям в формировании фазы "арреактивности" вследствие резкого, неадекватного повышения уровня ацетальдегида (Кершенгольц, Ильина, 1998), к повышению уровня общей заболеваемости (Kershengoltz et.al., 2001).
ЛИТЕРАТУРА
Гаркави Л.Х., Уколова П.Л., Квакина Е.Б, Адаптационные реакции и резистентность организма. - Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 1979. ~ 126с.
Гаркави Л.Х., Квакина Е.Б., Кузьменко Т. С. Антистрессорные реакции и активационная терапия (Реакция активации как путь к здоровью через процессы самоорганизации), - М.: Изд. ИМЕДИС,1998.-65бс.
Кершенгольц Б.М. Этанол и ацетальдегид в организмах растений и животных: Автореф. дис, .. ,д-ра биол.наук. - М.^1992. - 49 с
Кершенгольц Б.М. Неспецифические биохимические механизмы адаптации организмов к экстремальным условиям среды // Наука и образование. - 1996.-Т. З,-С. 130-138.
Кершенгольц Б.М., Ильина Л.П. Биологические аспекты алкогольных патологий и наркомании. - Якутск: Изд-во ЯГУ, 1998. - 150 с.
Колосова О.Н. Эколого-физиологические механизмы регуляции метаболизма при адаптации высших позвоночных к условиям Севера:
Автореф. докт. дис. - М.: ППО "Известия" Упр. делами Президента РФ, 1998. - 40 с.
Комиссарова И.А., Магалиф А.Ю., Ротен-берг Ю.С., Гудкова Ю.В. Молекулярные механизмы действия эндогенного и экзогенного этанола // Изв.АН СССР. Сер.биол. - 1983. - №2. -С.260-267.
Кудряшов Ю.Б., Перов Ю.Ф., Голеницкая И.А. Механизмы радиобиологических эффектов неионизирующих электромагнитных излучений низких интенсивностей // Радиационная биология. Радиоэкология. - 1999. - Т.39. - №1. -С.79-83.
Меерсон Ф.3. Адаптация, профилактика, стресс,-М.: Наука, 1981.-278 с.
Меерсон Ф.3. Концепция долговременной адаптации. -М.: Дело, 1993. -138с.
Скулачев В.П. В своем межмембранном пространстве митохондрия таит "белок самоубийства", который, выйдя в цитозоль, вызывает апоптоз (обзор) // Биохимия. - 1996. - Т.61, Bbin.ll-C.2060-2063.
Kershengoltz ДМ, Kolosova O.N., Krivogor-nicina E.A.,et al. Ecological and biochemical characteristics of alcohol pathologies in the North and there influence upon the total sickness rate of the population // International J. of Circumpolar Health. - 2001. - V.60, n.4. - P.557-565.
Shoubridge E.A., Hochachka P. W. Ethanol: Novel and product of vertebrate anaerobic metabolism // Science. - 1980. - V.209, N.4453. -P.308-309.
- Подпись автора
Всё есть яд, и всё есть лекарство, а разделяет одно от другого лишь доза (Парацельс)
..во всех семи...
Пурген например... ищё как реагирует...
