Биологические науки/8. Физиология человека и животных

Антонова Е.П., Хижкин Е.А., Илюха В.А., Якимова А.Е.

Институт биологии Карельского научного центра Российской академии наук (Республика Карелия, г. Петрозаводск)

Антиоксидантные ферменты у природно-адаптированных к дефициту кислорода животных

Высокая устойчивость к дефициту кислорода у генотипически адаптированных к гипоксии млекопитающих обусловлена рядом морфологических, физиологических и биохимических механизмов (Галанцев и др., 1999). Как дефицит кислорода (Hindle et al., 2009), так и его повышенное потребление непосредственно после ныряния (Cantu-Medellin et al., 2011; Vazques-Medina, Zenteno-Savin, Elsner, 2006) и при выходе из спячки (Breukelen, Martin, 2002) может приводить к усиленной генерации активных форм кислорода (АФК), разбалансировке между продукцией кислородных радикалов и антиоксидантной системой. Для понимания механизмов адаптации организма к гипоксии многое могут дать исследования природно-адаптированных к дефициту кислорода животных (Галанцев, Камардина, Коваленко, 1994; Hochachka, Somero, 2002). Удобной моделью для изучения этих процессов могут служить мелкие полуводные и зимоспящие млекопитающие. Наряду с низкомолекулярными антиоксидантами в поддержании на стационарном уровне АФК участвуют антиоксидантные ферменты – супероксиддисмутаза (СОД) и каталаза.

В связи с этим, целью нашего исследования явилось изучение состояния ферментативного звена антиоксидантной системы у 9 представителей двух отрядов млекопитающих – Насекомоядные (Insectivora) и Грызуны (Rodentia), существенно различающиеся по своим экологическим особенностям.

В результате исследования была обнаружена ткане- и видоспецифичность активности антиоксидантных ферментов. У изученных животных выявлены общие, свойственные другим млекопитающим, закономерности распределения активности СОД и каталазы в органах (Marklund, Karlsson, 1990; Ilukha et al, 1998; Илюха, 2001; Зенков, Ланкин, Меньщикова, 2001) – максимальная активность данных ферментов обнаружена, как правило, в печени, меньшая в почках и сердце, и самая низкая в скелетной мышце. Несколько отличающееся распределение активности СОД в органах отмечено у рыжей полевки и обыкновенной бурозубки. Так, самая высокая активность СОД у рыжей полевки была отмечена в почках и затем снижалась в ряду сердце→печень→скелетная мышца, у бурозубки в – сердце→почки→печень→скелетная мышца. Максимальная активность СОД среди изученных видов была обнаружена в печени полуводного вида ондатры, в то время как наибольшая активность каталазы наблюдалась в печени крота обыкновенного. Необходимо отметить, что низкой активностью исследуемых ферментов в почках и сердце обладала полевка-экономка.

В рассматриваемой нами группе представлены млекопитающие, различающиеся как по систематической принадлежности, так и по особенностям экологических условий обитания. Из исследуемых видов животных пять в той или иной степени испытывают выраженную гипоксию: полуводные млекопитающие (ондатра, водяная полевка и кутора) испытывают функциональную нагрузку на организм, связанную с дефицитом кислорода при нырянии, обыкновенный крот, ведущий подземно-роющий образ жизни и лесная мышовка, впадающая в зимнюю спячку. В результате кластерного анализа наибольшее сходство по исследуемым показателям в сердце и скелетной мышце имели виды, подвергающиеся гипоксии-реоксигенации, это полуводные виды – ондатра, водяная полевка и кутора, а также крот и лесная мышовка. Стоит обратить внимание, что наибольшие отличия по изучаемым ферментам в исследуемых органах имела бурозубка обыкновенная, для которой характерен уровень метаболизма в 2-3 раза выше, чем у других млекопитающих того же размера.

Таким образом, активность антиоксидантных ферментов может существенно различается даже у таксономически близких видов млекопитающих и определяется, прежде всего, их экологическими особенностями и адаптацией животных к гипоксии-реоксигенации.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента НШ-1410.2014.4, РФФИ (№ 12-04-31368, 12-04-00128-а), программы фундаментальных исследований Президиума РАН № г.р.01201262113, № г.р. 0120135840, программы «УМНИК-2013» и программы стратегического развития ПетрГУ с использованием оборудования Центра коллективного пользования ИБ КарНЦ РАН.

Литература:

1. Галанцев В.П., Камардина Т.А., Коваленко Р.И. Реакции сердечно-сосудистой системы и биоэнергетический метаболизм в связи с адаптацией к апноэ // Физиол. журн. им. И. М. Сеченова. 1994. Т. 80, N9. С. 117–123

2. Галанцев В.П., Коваленко Р.И., Криворучко Б.И. и др. К вопросу об особенностях толерантности к дефициту кислорода у неадаптированных и адаптированных к водному образу жизни грызунов // Журн. эволюц. биохимии и физиологии. 1999. Т. 35, №1. С. 43–47.

3. Зенков Н.К., Ланкин В.З., Меньщикова Е.Б. Окислительный стресс: Биохимический и патофизиологический аспекты. М.: МАИК «Наука / Интерпериодика», 2001. 343 с.

4. Илюха В.А. Супероксиддисмутаза и каталаза в органах млекопитающих различного экогенеза // Журн. эволюционной биохимии и физиологии. 2001. Т. 37, № 3. С. 183–186.

5. Breukelen F., Martin S.L. Invited Review: Molecular adaptations in mammalian hibernators: unique adaptations or generalized responses? // J Appl Physiol. 2002. Vol. 92. Р. 2640–2647.

6. Cantu-Medellin N., Byrd B., Hohn A., Vazquez-Medina J.P., Zenteno-Savin T. Differential antioxidant protection in tissues from marine mammals with distinct diving capacities. Shallow/short vs. deep/long divers // Comparative Biochemistry and Physiology. 2011. Vol. 158. Р. 438–443.

7. Hindle A. G., Lawler J. M., Campbell K. L., Horning M. Muscle aging and oxidative stress in wild-caught shrews // Comparative Biochemistry and Physiology. 2009. Vol. 155. 427–434.

8. Hochachka P.W., Somero G.N. Biochemical adaptation: mechanisms and process in physiological evolution. N.Y.: Oxford University Press, 2002. 466 pp.

9. Ilukha V.A., Kozhevnikova L.K., Tyutyuimik N.N., Unzhakov A.R., Meldo H.I. Activity of antioxidant enzyme and the LDH isoenzyme spectrum in organs of mink with Aleutian disease // Scientifur. 1998. Vol. 22, №4. P. 309–314.

10. Marklund S.L., Karlsson K. Extracellular-superoxide dismutase, distribution in the body and therapeutic implications // Antioxidants in Therapy and Preventive Medicine. N.Y.: Plenum Press. 1990. Р. 1–4.

11. Vazquez-Medina J.P., Zenteno-Savin T., Elsner R. Antioxidant enzymes in ringed seal tissues: Potential protection against dive-associated ischemia/reperfusion // Comparative Biochemistry and Physiology. 2006. Vol. 142. Р. 198–204.