СЕМІНАР №7

Особливості розподілу електролітів в мозку і скелетному м'язі високостійких і низькостійких до гострої гіпоксії тварин в умовах нормального і зниженого парціального тиску кисню

Однією з кардинальних особливостей збудливих систем організму є нерівномірний розподіл іонів між зовнішньо- і внутрішньоклітинним середовищем — іонна асиметрія (ІА). Підтримка оптимального для клітин рівня ІА має важливе значення для збереження загального гомеостазу і нормального проходження процесів життєдіяльності.

Іонна асиметрія — неврівноважений в термодинамічному відношенні стан, а тому для її підтримки необхідна енергія обміну речовин. Механізми, за допомогою яких енергія обмінних процесів створює ІА, можна розділити на два вида: метаболічні процеси можуть бути пов'язані з ІА безпосередньо (наприклад, за допомогою механізму обміну іонів калію на іони водню, надлишок яких завжди генерується клітиною); разом з цим залежність ІА від метаболізму може мати непрямий характер — енергія обміну затрачається на створення мембранних структур клітини, що володіють здатністю вибірково пропускати (або зв'язувати) іони калію, а не натрію.

Механізми накопичення різних речовин в клітині дуже складні і різні біологічні системи забезпечують їх згідно особливостям свого метаболізму. В одних випадках вибіркове накопичення речовин в клітині залежить від енергії, що виробляється в процесі окислювального обміну, в інших — воно обумовлено анаеробним розщеплюванням вуглеводів.

Дії чинників зовнішнього і внутрішнього середовища змінюють рівень концентраційних відмінностей між клітиною і позаклітинним середовищем. Величину зсуву ІА визначають особливості біохімізму, структури і функції тканини, її реактивність. Підтримка оптимального рівня ІА здійснюється завдяки тонкій регуляції проникності мембран і активного транспорту іонів між клітиною і позаклітинним середовищем.

Обмін іонів між клітиною і позаклітинним середовищем має істотне значення для функції центральної нервової системи.

Процес збудження клітини супроводиться зміною транс­мембранних градієнтів натрію і калія, що виникає в результа­те "підвищення мембранної проникності для одновалентних ка­тіонів, і зміною поляризації цитоплазматичної мембрани [185, 375]. Енергія для збудження клітки закладена в транс­мембранном іонному градієнті (переважання калія усередині клітин і натрію в позаклітинному просторі). Для відновлення вихідного рівня іонної асиметрії між зовнішньо- і внутрішньоклітинним сере­довищем необхідна енергія обміну речовин. Пасивний потік іонів по градієнту електрохімічного потенціалу, що виникає у момент збудження клітини, і активне відновлення іонних зв’язків підпорядковані різним закономірностям.

Енергозабезпечення активного транспорту іонів проти градієнтів концентрації є одній з основних функцій мета­болизму в нервовій тканині. Особливу роль в регуляції швидкостей дихального і гліколітичного енерго­утворення грають динамічні зміни проникності внутрішньоклітинних мембран — так звана мембранна регуляція енергетичного обміну. Встановлено, що процес актив­ного транспорту іонів регулює рівень продукції енергії в клітині в процесі гліколізу [674]. Транспортна Na-K-АТФаза грає важливу роль і в аеробних процесах, підвищуючи окислювальне фосфорилювання [211]. Зміна проникності мембран для катіонів сприяє трансмембранному розподілу не лише катіонів, але також протонів і субстратних аніонів. Згідно сучасним уявленням про функціональну роль біологічних мембран, в процесі енергоутворення при окисленні різних субстратів відбувається транс­мембранне розділення потоків електронів і протонів, що приводить до утворення електрохімічного потенціалу, що складається з електричного і осмотичного (концентраційного) градієнта потенціалу рН. Цей електрохімічний потенціал використовується для транспорту катіонів за рахунок електричного потенціалу, тоді як аніони переносяться спільно з іоном водню за рахунок кон­центраційного потенціалу рН або в обмін на іон ОН. При транс­порті катіонів частина електричного потенціалу перетвориться в осмотичну енергію, підвищуючи цим потенціал рН, збільшення якого підсилює потік аніонів — субстратів окислення і фос­фатів.

Одним з механізмів енергоутворення є процес син­тезу АТФ, що забезпечується електричною або осмотичною енер­гією, яка звільняється при русі іонів через клітинні мембрани по їх електрохімічному градієнту, так зване іонне фосфорилювання [591]. Наявність такого механізму звільнення енергії свідчить про те, що утворення концентраційних трансмембранних градієнтів є одним із способів запасання енергії на мембрані. В умовах енергетичного дефіциту вирівнювання концентраційних гра­диентов натрію (Na⁺/Na) і калію (К,/К_г) приводить до звільнення енергії, яка уловлюється шляхом звернення механізму іон­ного транспорту і використовується для синтезу АТФ. Таким чином, активний транспорт іонів грає важливу роль в кінетиці і стаціо­нарному розподілі речовин між зовнішньо- і внутрішньоклітинним сре­довищем.

Іонні взаємовідносини клітини з середовищем визначаються як поверхневою цитоплазматичною мембраною, так і внутрішньоклітиними мембранними і немембранними структурами, що впливають на стан іонів в клітині і регуляцію їх електрохімі­чної активності [17]. З переміщенням іонів і створенням трансмембранних іонних градієнтів пов'язані найважливіші биохимичес­кие процеси. Співвідношення електролітів в клітині (K,/Na_f) регу­лирует активність транспортної Na-K-АТФази, яка активує енергетичний обмін [635, 636], роблячи помітний вплив на характер біосинтетичних процесів [459, 572]. Зміна іон­ного співвідношення в клітині супроводжується посиленням синтезу специфічних ферментів [17] і ДНК [572]. Співвідношення катіонів в клітині визначає розподіл і потік метаболітів між мітохондріальними і цитоплазматичними просторами 1477].

Активний транспорт іонів і інших речовин тісно пов'язаний з процесами окислювального фосфорилювання. Добре відома участь іона К в аеробному метаболізмі [148, 224, 673] і його вплив на інтенсивність тканинного дихання. Багатьма дослідженнями встановлено, що іони К способ­ствуют підвищенню засвоєння клітинами кисню, забезпечуючи максимальну активність піруваткінази, що каталізує реакції окислення пірувату в циклі Кребса [197]. Калій необхідний також для процесів синтезу білка рибо­сомами клітини, для підтримки процесів гліколізу [427].

З дією електрогенного натрієвого «насосу», що відкачує натрій без компенсуючого надходження калію всередину клітини, тісно зв'язаний транспорт глюкози і амінокислот в клітину. Активне виведення натрію з клітин має важливе значення для підтримки постійності осмотичного тиску в клітині і об'єму внутріклітинної рідини. Іони натрію і, особливо, калію стимулюють дихання і транспорт електронів по дихальному ланцюгу, підвищуючи окислення НАД і НАДФ шляхом впливу на активність глутаматдегідрогенази [474].

Співвідношення концентрацій калію зовні і всередині клітин грає провідну роль в регуляції міри поляризації клітинних мемб­ран. Зміною концентрації калія в крові можна викликати по­рушеня в електроенцефалограмі [433], а також спонтанній і викликаній активності [352], що свідчить про активну учас­ть іонів К в метаболізмі ацетилхоліну [543]. Ацетилхолін, у свою чергу, підтримує іонний баланс клітини, беручи участь в регуляції активності іонних насосів [197] шляхом впливу на фер­ментні системи мембранних структур [90, 249]. Вихід калія з нервових і м'язових клітин під дією ацетилхоліну [5431, - очевидно, обумовлюється скріпленням мембранних сульфогідрильних груп і підвищенням редокс-потенціалу усередині клітини. Багато дослідників показали, що збільнення вміст калія в клітині і зростання градієнту концентрації (К/Кс) пов'язано з зниженням внутрішньоклітинного окислювально-відновного потенціалу, сприяючи гк-переполяризації клітинної мембрани і зниженню збудливості клітини. Опубліковані дані, що свідчать про важливу роль окислювально-відновного потенціалу в транспорті натрію. Виведення натрію з клітини пов'язане із звільненням (в процесі окислення глюкози) електронів, акцепторами яких в умовах аеробіозу є кисень, а в умовах анаеробіо­зу — піровиноградна кислота. Будь-яка затримка виділення елект­ронів в ланцюзі окислювального фосфорилування повинна супроводжуватись утриманням натрію усередині клітини. Із сказаного виходить, що підтримка оптимального рівня іонної асиметрії має су­тєве значення для перебігу метаболічних процесів і функ­ціональної діяльності клітин.

Наявні в літературі дані про вплив гіпоксії на обмін електролітів у людини і тварин головним чином відносяться до змін вмісту натрію і калія в рідких середовищах организ­му (кров, сеча). Не дивлячись на численність публікацій з цьому питанні, вони часом суперечні зважаючи на неоднотипну постановку експериментів і різної тривалості експозиції до дії гіпоксії.

Показано, що при моделюванні гіпоксії в барока­мері значно порушуються іонні співвідношення в тканинах орга­низму. Про значення змін активності Na-K-АТФази в різних тканинах щурів свідчать дані [608, 609], отримані в умовах різної міри дії гіпоксії. Виявилось, що при загальній асфіксії відбувається вихід калія з тканин, разом із стимуляцією функції наднирників. У дослідах in vitro також спостерігалося виведення калія із зрізів кори мозку в гіпоксичих середовищах. Отримані дані [668] про підвищення активності калія в корі мозку зрілих щурів після 5-хвилинної циркуляторної гіпоксії, викликаною перев'язкою сонних артерій. Висувають гіпотезу про можливу роль зворотної кореляції між підвищенням швидкості виведення калія з тканин в позаклітинне середовище і перебування в умовах гіпоксії середньої тяжкості («підіймання» на висоту 6 тис. м). До такого ж висновку прийшли і інші дослідники [668] на підставі даних про посилення входження калія в екстрацелюлярний простір при різкій мірі гіпоксії. Під дією гострої гіпоксії (при «підйомах» на вы­соты 4,5—6 тис. м) підвищується осмотичний тиск в клітинах у щурів різного віку [526], що, на думку авторів, пов'язано з підвищенням внутріклітинної концентрації натрію.

Збільшення концентрації калія в плазмі крові разом з зниженням вмісту натрію було відмічено в одному з перших дослідів на тваринах [646], проведених в умовах підйому на різні «висоти» (від 3 до 8 тис. м) з різною експозицією. При цьому величина зрушення в співвідношенні електролітів знаходилася в прямій залежності від міри і тривалості дії гіпоксії.

Інші автори [117] спостерігали такі ж зміни на висотах, що перевищують 9 тис. м, тоді як при менших розрідженнях помітних зрушень в співвідношенні іонів натрію і калія відзначити не вдалося [117]. Підвищення концентрації калія в плазмі крові у людей після 6-годинного і добового перебування в барокамері на «висоті» 6 тис. м відзначив І. М. Дедюлін [134, 135].

Деякі автори [540] виявили пониження вмісту ка­лію в плазмі крові у тварин (кішки) при помірній декомпресії. Встановлено, що спрямованість змін залежать від ступеню кисневої недостатності [487, 637]. Так, при гострій де­компрессії («підіймання» на 9 тис. м) в плазмі крові у собак помітно знижувалася концентрація калія на фоні посиленої його екскреції і пониження канальцевої реабсорбції. У постдекомпрессійному періоді вміст калія в крові збільшувався, перевищуючи конт­рольний рівень. В той же час у щурів концентрація калія в плазмі зменшувалася лише при «підйомах» на 8—11 тис. м, а на рівні 13 тис. м вона значно збільшувалася. Після попередньої адреналінтомії ці зміни були менш виражені, що привело авторів [605] до висновку про залежність обміну еритроцитів від функції наднирників. Аналогічний взаємозв'язок встановили і інші дослідники [495, 637]. Варто відзначити, що в даний час багато авторів зв'язують порушення водно-сольового обміну при діях гіпоксій із зміною функції наднирників. Неоднотипність реакції на короткочасне перебування в умовах високогір'я, що виявляється підвищенням концентрації обох електролітів або зменшенням вмісту натрію разом з підвищенням рівня калія в плазмі крові, виявлялась і у людей. Проте ні в одній з приведених робіт не обговорюється роль ін­дивідуальних особливостей реакції організму на гіпоксію, які можуть виходити із спадково закріплених особливостей метаболізму. В той же час відомо, що рівень електролітів крові контролюється певними генами. В деяких висо­когірних порід овець вміст калія в плазмі надзвичайно висо­ке, тоді як в інших порід воно у декілька разів нижче. Ця осо­бливість стійко передається поспадковості, але роль її в реакції ор­ганизму на недолік кисню не цілком зрозуміла.

Таким чином, питання про вплив гострої нестачі кисню у вдихуваному повітрі на вміст і співвідношення електролітів в крові і тканинах потребує подальшого вивчення. Метою проведених нами експериментів було дослідження трансмембранного розподілу електролітів в корі великих півкуль, підкірці, стовбуровій частині мозку, мозочку і продовгуватом мозку білих щурів в умовах гострої гіпоксичної гіпоксії. Досліди проведені на інтактних тваринах, заздалегідь розділених на високо- і низькостійких до гіпоксії, а також на адаптованих до умов високогір'я щурах. Для виявлення особливостей, характерних для центральної нервової системи, досліджувався також вміст електролітів в стегновому м'язі. Для з'ясування механізмів, лежачих в основі природної висо­кої резистентності деяких особин до гострих гіпоксичних дій, проводилися дослідження на високо- і низькостійких до гострої гіпоксії щурах на різних етапах онтогенезу (у віці 6—8 і 24—28 тижнів). Трансмембранні співвідношення электролі­тів в мозку ВГ- і НГ-крис вивчалися при нормальному атмосфер­ному тиску і в умовах різної міри розрідження атмос­фери (підйом на «висоту» 6,9 і 12 тис. м н. в. м.). Кількісний вміст електролітів визначався полум'яним фотометром Цейсса (модель III). Розрахунок зовнішньо- і внутрішньоклітинних концентрацій вироблявся по відношенню до «хлорного простору» як показнику позаклітинного об'єму мозку по методу. При підйомах в барокамері на «висоту» 6 і 9 тис. м розрідження до заданого тиску вироблялося протягом півгодини. На вка­заних «висотах» тварини перебували 1 год. За такий же час відновлювався нормальний атмосферний тиск, після чого тварини витягувалися з барокамери і негайно декапітували.

При дослідженні екстремальної дії гіпоксії тварини випробовувалися під вакуумним дзвоном з різною ек­спозицією (до появи агонального дихання), після чого вони швидко «спускалися» і поступали в дослід в різні терміни після дії гіпоксії (через 30, 90 хв. і 24 год. після «підйому»). У досвід брали тварин однієї і тієї ж статі (самці) і віку попарно — піддослідні і контрольні.