Воздействие пренатальной гипоксии на активность α-кетоглутаратдегидрогеназы в головном мозге крыс

Хаирова Венера Рамизовна,

доцент, ведущий научный сотрудник Института физиологии им. А. И. Караева НАН Азербайджана, г.Баку.

Выявление механизмов гипоксического повреждения тканей и органов организма является приоритетным направлением в физиологии, биохимии и медицине. С ухудшением экологической обстановки на сегодняшний день гипоксия является одним из наиболее часто наблюдаемых неблагоприятных факторов, приводящих к кислородному голоданию тканей и повреждению в клеточной системе энергообразования. К более тяжелым последствиям приводит гипоксия в период внутриутробного развития организма, вызывая морфогенетические эффекты и изменяя адаптационные возможности потомства на протяжении всей жизни [1, 3, 6].

Известно, что энергетический обмен является ведущим метаболическим звеном в жизнедеятельности организма. Механизм синтеза энергии и распределения ее между энергозависимыми процессами осуществляется в митохондриях клетки. В условиях дефицита кислорода подавляется биоэнергетическая функция митохондрий, происходит сбой в основной энергетической системе клетки. Энергопродукция клетками резко снижается, что в конечном итоге приводит к нарушению протекания энергозависимых процессов в организме [4].

Окисление энергетических субстратов в мозге происходит преимущественно через НАД-зависимый путь, чем и объясняется его высокая чувствительность к дефициту кислорода.

Недостаточность систем клеточного энергообразования является важным элементом патогенеза многих заболеваний. Согласно мнению ряда авторов, поддержание жизни в экстремальных условиях возможно, пока дефицит энергии не достигнет критического уровня, после чего происходят необратимые процессы в клетке вплоть до гибели организма [1, 10]. В связи с тем, что параметры энергообмена являются ведущими прогностическими критериями степени тяжести гипоксических нарушений, изучение характера энергетического обмена в условиях кислородной недостаточности актуально для практической медицины.

Исходя из вышеизложенного, целью работы было определение активности одного из ферментов в цепи ЦТК, являющегося главным энергетическим механизмом организма, - α-кетоглутаратдегидрогеназы, катализирующей реакцию переноса восстановленных эквивалентов от субстрата на митохондриальную дыхательную цепь, - в головном мозге крыс, подверженных гипоксии в пренатальный период развития.

Материалы и методы

В эксперименте были использованы самки крыс линии Вистар, содержавшиеся в обычных условиях вивария. На 8-15 сутки беременности (соответствующие периоду органогенеза) одну группу самок подвергали воздействию гипоксии в барокамере при концентрации кислорода 5% и азота - 95% с экспозицией 20 минут ежедневно. Другую группу – контрольные особи – также содержали в барокамере в аналогичные сроки беременности, но при нормальной концентрации кислорода в воздухе. Биохимические исследования проводилось на потомстве экспериментальных и контрольных крыс по достижении ими одно- и трехмесячного возраста.

После декапитации крыс, извлечения мозга и разделения его на соответствующие структуры был приготовлен гомогенат по общепринятой методике. Активность фермента α-кетоглутаратдегидрогеназы определялась по методу Senedi (1963), Северина и Гомазковой (1971) в митохондриальной фракции, выделенной методом дифференциального центрифугирования [9].

Статистическая обработка полученных результатов проводилась с вычислением среднего арифметического значения (М) и среднего арифметического отклонения (m). Достоверность различий между показателями контрольной и опытной групп оценивали по непараметрическому критерию Mann-Whitney. Статистический анализ осуществлялся в пакете прикладных программ «Statistica 7.0» («StatSoft Inc.», 2004).

При моделировании эксперимента соблюдались правила гуманного обращения с животными, изложенные в директиве Европейского сообщества.

Результаты исследования и их обсуждение

Согласно многочисленным исследованиям, не вызывает сомнения тот факт, что пренатальный онтогенез является наиболее чувствительным и уязвимым периодом в развитии организма, и воздействие гипоксии в этот период может привести к нарушению формирования органов и всего организма в целом, а также к необратимым отдаленным последствиям [2]. Головной мозг на этапах своего формирования в первую очередь реагирует на гипоксический стресс нарушением становления нейронных сетей и синаптических контактов, дегенерацией нервных клеток и уменьшением числа аксональных ветвлений, а также изменением пластичности нервной ткани. Период органогенеза внутриутробного развития головного мозга можно считать наиболее восприимчивым к ряду стресс-факторов в виду того, что именно в этот период происходят активные процессы пролиферации, миграции и созревания нейробластов, и нарушение протекания этих процессов может в конечном итоге рассматриваться как первопричина изменения физиологических и поведенческих реакций, а также когнитивных функций организма в дальнейшем онтогенезе [1].

Являясь мишенью для гипоксии, энергетический обмен претерпевает изменения, что связано с нарушением активности митохондриальных ферментов цикла Кребса, приводящее к снижению внутриклеточного АТФ и инициируя повреждения клеток [7].

Фермент α-кетоглутаратдегидрогеназа участвует в дегидрировании и декарбоксилировании α-кетоглутарата, являющегося не только центральным компонентом ЦТК, но и принимающим участие в реакциях переаминирования.

Анализ полученных результатов выявил тенденцию снижения показателей активности фермента α-кетоглутаратдегидрогеназы во всех структурах головного мозга пренатально гипоксированных крыс. Так, у одномесячных крыс в митохондриальной фракции корковых областей мозга – орбитальной, зрительной, сенсомоторной и лимбической коре – ферментативная активность снижалась в пределах 35-40% относительно контрольных величин. В гипоталамусе, среднем и продолговатом мозге также отмечалось снижение активности фермента, граничащее в пределах 24-28% в сравнении с контролем.

Аналогичная тенденция снижения активности исследуемого фермента, но в меньшей степени, отмечается в головном мозге трехмесячных пренатально гипоксированных крыс. Выявленное снижение активности α-кетоглутаратдегидрогеназы в корковых структурах головного мозга крыс находится в пределах 21-27%, в то время как в гипоталамусе, среднем и продолговатом мозге оно ниже (в пределах 20% относительно контроля).

 Рис. 1. Изменение активности α – кетоглутаратдегидрогеназы в структурах головного мозга крыс, гипоксированных в период органогенеза пренатального развития. Прим.: * p<0,05 ** p<0,01*** p<0,001.

С учетом того, что активность окислительных ферментов в коре мозга значительно выше, чем в других отделах, падение уровня активности одного из указанной группы ферментов, в данном случае α-кетоглутаратдегидрогеназы, может указывать на снижение интенсивности процессов окислительного декарбоксилирования α-кетоглутарата. Согласно исследованию других ученых, на фоне подавления активности NAD-зависимых ферментов компенсаторно возрастает активность сукцинатоксидазного звена в ЦТКс целью обеспечения синтеза АТФ в клетке [5, 8].

Следовательно, гипоксия, воздействуя на определенные звенья энергетического обмена, изменяя состояние переносчиков электроннотранспортной митохондриальной цепи, нарушает реакции окисления субстратов ЦТК, с одной стороны, подавляя активность NAD-зависимых дегидрогеназ (в данном случае α-кетоглутаратдегидрогеназы) и тормозя окисление NAD-зависимых субстратов, с другой стороны, сохраняя/повышая активность FAD-зависимых дегидрогеназ, которые, минуя NAD-зависимое звено, пропускают поток протонов и электронов на дыхательную цепь, тем самым обеспечивая синтез АТФ, но ингибируясь при нарастании гипоксии.

Таким образом, воздействие гипоксии в период пренатального онтогенеза вызывает характерные изменения в системе энергетического метаболизма, и в связи с его тесным взаимодействием с функционально-метаболическим статусом организма необходима коррекция последствий энергодефицита.

Литература

1.                  Граф А.В., Гончаренко Е.Н., Соколова Н.А., Ашмарин И.П Антенатальная гипок­сия: участие в развитии патологий ЦНС в онтогенезе // Нейрохимия. 2008. 25(1-2). С.11-16.

2.                  Кассиль В.Г., Отеллин В.А. и др. Критические периоды развития головного мозга // Росс. Физиол. журн. им. И.М.Сеченова. 2000. 86(11). С.1418-1425.

3.                  Лукьянова Л.Д. Современные проблемы гипоксии // Вестник РАМН. 2000. №9. С. 3-12.

4.                  Лукьянова Л.Д. Митохондриальная дисфункция типовой патологичес­кий процесс, молекулярный механизм гипоксии // Проблемы гипоксии: молекулярные, физиологические и клинические аспекты / Под. ред. Лукьянова Л.Д., Ушакова И.Б. М., Истоки. 2004. - С. 8-50.

5.                  Маевский Е.И., Гришина Е.В., Розенфельд А.С. и др. Анаэробное образование сукцината и облегчение его окисления – возможные механизмы адаптации клетки к кислородному голоданию // Биофизика. – 2000. Т. 45. № 3. С. 509–513.

6.                  Попова А. С. Состояние энергетического обмена у новорожден­ных в норме и при развитии нарушений адаптации в раннем постнатальном периоде // Клиническая лабораторная диагностика. 2013. № 1. С. 22-24.

7.                  Хватова Е. М. Свойства NAD-зависимых ферментов мозга в условиях гипоксии и ишемии / Е. М. Хватова, А. А. Гарсия, М. Р. Гайнуллин // Вестник Российской академии медицинских наук. 2008. № 2. С. 13–16.

8.                  Щербак Н.С. Активность сукцинатдегидрогеназы в неокортексе и гиппокампе монгольских песчанок при ишемическом и реперфузионном повреждении головного мозга // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2013. Т. 155. № 1. С. 17-20.

9.                  Chinopoulos C., Zhang S.F., Thomas B., Ten V.,Storkov A.A. Isolation and functional assessment of mitochondria from small amounts of mouse brain tiss //Methods Mol. Biol. 2011.V.793, p.311-324

10.              Michiels K. Physiological and pathological responses to hypoxia. // Am. J. Pathology.-2004. Vol. 164. P. 1875-1882.

Поступила в редакцию 16.04.2015 г.