Углеводы и термогенез у пчел Apis mellifera
(Carbohydrates and thermogenesis of honeybee Apis mellifera)
Выдержки из работы: Маршаков В.Г. «Биоэнергетика пчелиной семьи и проблемы практического пчеловодства» (готовится к печати)
1. Метаболизм углеводов
Среди всех животных насекомые в полете достигают самых высоких метаболических показателей относительно массы тела, превышающие аналогичные показатели, например для птиц, в 50-100 раз. Летные мышцы насекомых состоят исключительно из фибриллярной ткани и потребляют более 90% кислорода поступающего в организм в полете. Значения дыхательного коэффициента RQ=VCO2/VO2 наиболее близки к единице при низкой активности ферментов участвующих в окислении жирных кислот (Rothe, Nachtigall, 1989), что указывает на углеводы как главное окисляемое топливо, используемое во время полета у пчел (Crabtree, Newsholme, 1972a).
Гемолимфа пчел содержит трегалозу, глюкозу и фруктозу (Woodring et al., 1994) и, очевидно, они в первую очередь используются в полете пчелами (Gmeinbauer, Crailsheim, 1993). Содержание трегалозы в гемолимфе пчел колеблется в пределах 2-40 mg ml-1 (Bounias, Morgan, 1984; Bozic, Woodring, 1997), а глюкозы и фруктозы в пределах 2-16 mg ml-1 (Fell, 1990; Leta et al., 1996), или на особь по 0,03-0,56 и 0,03-0,22 мг соответственно.
Высокая активность трегалазы (Lefebvre, Huber, 1970), гексокиназы и глицеролфосфат дегидрогеназы (Crabtree, Newsholme, 1972), ферментов участвующих в гидролизе трегалозы, фосфорилировании глюкозы, поддержании баланса NAD+/NADH в процессе аэробного гликолиза соответственно, поддерживают мнение, что окисление именно этих сахаров обеспечивает энергию для полета (Suarez et al., 1996).
Blatt, Roces (2001) в прекрасной экспериментальной работе по определению сахаров в гемолимфе пчел и скорости метаболизма, справедливо отмечают, что в исследованиях других авторов по этому вопросу наблюдается огромный разброс и противоречивость результатов. Это определяется различными экспериментальными условиями, влияющими на поведение объекта исследований, а также неоднозначным исходным состоянием самого объекта.
Таблица 1. Скорость выделения углекислого газа, содержание глюкозы, фруктозы и трегалозы в гемолимфе пчел в зависимости от потребления раствора сахарозы разной концентрации и температуры воздуха (по данным Blatt, Roces, 2001 с изменениями: в круглых скобках исходные данные, остальные рассчитаны автором)
Температура воздуха, °C
10
15
20
25
30
35
39
.
V CO2 (ml h-1 на особь)
(независимо от концентрации сахара в растворе)
(9,58)
(8,28)
(6,97)
(5,66)
(4,36)
(3,06)
(2,01)
Расход глюкозы, обеспечивающий данный уровень метаболизма (mg min-1 на особь)
0,207
0,175
0,145
0,115
0,088
0,061
0,039
Расход глюкозы на основной метаболизм (mg на особь) за период времени:
15 минут
3,11
2,62
2,17
1,72
1,32
0,92
0,58
30 минут
6,22
5,24
4,34
3,44
2,64
1,84
1,16
60 минут
12,44
10,48
8,68
6,88
5,28
3,68
2,32
Максимальное количество сахарозы (в пересчете на глюкозу и фруктозу) проходящее через проветрикулюс (максимальная скорость транспорта раствора равна 48 µl h-1 - Roces, Blatt, 1999) в среднюю кишку за период времени:
15 минут (15% раствор)
0,95 mg или 5,3 µmol
30 минут (30% раствор)
4,06 mg или 22,5 µmol
60 минут (50% раствор)
14,75 mg или 81,9 µmol
Содержание глюкозы (или фруктозы) после инвертации в 0,030 мл:
15% раствора сахарозы
2,38 mg или 13,2 µmol
30% раствора сахарозы
5,07 mg или 28,2 µmol
50% раствора сахарозы
9,2 mg или 51,1 µmol
Содержание глюкозы (мг) в гемолимфе особи (объем гемолимфы пчелы массой 78 mg составляет 0,014 ml: по Crailsheim, 1985; Wolf et al., 1996) при потреблении 0,030 мл:
15% раствора сахарозы
0,113
0,112
0,112
0,111
0,110
0,110
0,110
30% раствора сахарозы
0,17
0,15
0,14
0,12
0,10
0,09
0,07
50% раствора сахарозы
0,21
0,19
0,17
0,15
0,13
0,11
0,09
Содержание фруктозы (мг) в гемолимфе особи при потреблении 0,030 мл:
15% раствора сахарозы
0,164
0,163
0,162
0,160
0,159
0,157
0,156
30% раствора сахарозы
0,25
0,22
0,19
0,16
0,13
0,10
0,08
50% раствора сахарозы
0,24
0,22
0,19
0,16
0,13
0,10
0,08
Содержание трегалозы (мг) в гемолимфе особи при потреблении 0,030 мл:
15% раствора сахарозы
0,07
0,13
0,19
0,25
0,40
0,42
0,42
30% раствора сахарозы
0,20
0,26
0,31
0,36
0,52
0,51
0,51
50% раствора сахарозы
0,23
0,29
0,35
0,41
0,55
0,58
0,61
Суммарное содержание глюкозы, фруктозы, трегалозы (мг) в гемолимфе особи при потреблении 0,030 мл:
15% раствора сахарозы
0,35
0,41
0,47
0,52
0,68
0,68
0,69
30% раствора сахарозы
0,62
0,63
0,64
0,65
0,76
0,70
0,66
50% раствора сахарозы
0,68
0,69
0,70
0,71
0,81
0,78
0,76
Работа Blatt, Roces (2001) отличается четкой методикой опытов и выровненным биологическим материалом. Используя экспериментальные результаты Blatt, Roces (2001), рассчитано содержание основных метаболитов в гемолимфе и их изменение в организме пчелы при понижении температуры окружающего воздуха (таблица 1), и представлено в форме более удобной для анализа процессов метаболизма. Видна четкая обратная зависимость между температурой и скоростью метаболизма. При сравнении скорости транспорта раствора сахарозы через провентрикулюс и содержанием глюкозы в растворе, можно сделать вывод, что в случае 15% раствора за 15 минут из 2,38 мг глюкозы в гемолимфу попадет только 0,95 мг, что способно поддерживать необходимый уровень гликолиза лишь в интервале температур от 33 до 39°C. В случае 30% раствора за 30 минут из 5,07 мг в гемолимфу попадет 4,06 мг, но и этого количества недостаточно для поддержания скорости гликолиза при температуре ниже 22°C. При кормлении пчел 50% раствором планка опускается до 18°C. За счет каких ресурсов поддерживается необходимый уровень метаболизма при температуре ниже 18°C, например, при 10°C?
Метаболизм углеводов можно представить в виде подвижного баланса между необходимыми затратами, скоростью поступления метаболитов из кишечника и их запасами в гемолимфе, в мышцах и жировом теле. Самый короткий и быстрый путь – использование гликогена мышечной ткани, но его запасы весьма ограничены. Другой путь – это использование глюкозы поступающей в гемолимфу из пищевого субстрата и далее в саркоплазму мышечных клеток. Третий путь – использование трегалозы. Неизвестно, как трегалоза попадает в саркоплазму (Becker et al., 1996), неизвестно где происходит ее гидролиз до глюкозы, поскольку по одним данным фермент трегалаза на 92-95% локализован с наружной стороны внутренней мембраны митохондрий и частично с наружной стороны внешней мембраны в мышцах асинхронного типа с редуцированным эндоплазматическим ретикулюмом (Brandt, Huber, 1979a), по другим имеет и свободную форму в гемолимфе (Lee et al., 2001). Прямое разрушение мембран митохондрий не приводило к активации трегалазы у пчел (Brandt et al., 1979). И, наконец, еще один путь - использование гликогена и триацилглицеролов жирового тела.
Метаболизм углеводов в жировом теле может осуществляться по нескольким направлениям, и выбор какого-нибудь одного из них зависит от ежечасно и даже ежеминутно меняющихся «спроса и предложения» в подвижном балансе затрат:
- глюкоза > глюкозо-6-фосфат > UDP-глюкоза > гликоген;
- гликоген > глюкозо-1-фосфат > глюкозо-6-фосфат > UDP-глюкоза > трегалоза;
- гликоген > глюкозо-1-фосфат > глюкозо-6-фосфат > глюкоза;
- фруктоза > фруктозо-6-фосфат > глюкозо-6-фосфат > UDP-глюкоза > трегалоза;
- фруктоза > фруктозо-1-фосфат > диоксиацетонфосфат + глицеральдегид >
> глицерол-3-фосфат > триацилглицеролы;
- фруктоза > фруктозо-6-фосфат > глюкозо-6-фосфат > пируват > ацетил-СоА >
> малонил-СоА > триацилглицеролы.
Триацилглицеролы, в свою очередь, используются в метаболизме мышечных клеток при недостатке углеводного топлива (Candy et al., 1997) по схеме: Триацилглицерол (жировое тело) > жирная кислота + диацилглицерол (переходит в гемолимфу и далее в летные мышцы) > жирные кислоты (окисляются в мышечных клетках до углекислого газа и воды) + глицерол (переходит через гемолимфу обратно в жировое тело и участвует в синтезе триацилглицеролов).
Рассмотрим ситуацию при скармливании пчелам 50% раствора сахарозы и внешней температуре, при которой проводился опыт, равной 10°C (табл. 1). На обеспечение необходимого уровня метаболизма по выделению углекислого газа требуется 12,44 мг углеводов в расчете на глюкозу. Поступило в гемолимфу за период опыта 9,2 мг глюкозы при повышении ее содержания в гемолимфе на 0,12 мг и снижении содержания трегалозы на 0,38 мг, то есть дефицит составил 2,98 мг (12,44+0,12-9,2-0,38). Но остаток фруктозы может обеспечить синтез 8,68 мг трегалозы, что с учетом поступившей глюкозы превышает расход почти в 1,5 раза. Тем не менее, содержание трегалозы в гемолимфе снизилось почти на 60%. Однако в абсолютном значении снижение содержания трегалозы в гемолимфе составляет всего 3% (0,38/12,44) расхода метаболитов и связано, скорее всего, с восполнением мышечного гликогена, используемого в метаболизме в первую очередь. Это можно объяснить также тем, что синтез трегалозы из фруктозы в жировом теле более длительный процесс. К тому же часть фруктозы используется в синтезе глицерола. То есть действует система, регулирующая направления синтетических процессов в жировом теле в зависимости от потребностей метаболизма (Beenakkers et al., 1984).
Теперь рассмотрим ситуацию, возникшую при скармливании пчелам 15% раствора сахарозы и внешней температуре, при которой проводился опыт, равной 10°C (табл. 1). На обеспечение необходимого уровня метаболизма по выделению углекислого газа требуется 3,11 мг углеводов в расчете на глюкозу. Поступило в гемолимфу, исходя из максимальной скорости транспорта раствора через провентрикулюс, за период опыта 0,95 мг глюкозы из 2,38 мг содержавшихся в растворе. Еще столько же может дать фруктоза за счет синтеза трегалозы, но все вместе не обеспечивает необходимого расхода глюкозы, несмотря на падение содержания трегалозы в гемолимфе почти на 85%. Недостающее количество глюкозы в энергетическом плане может восполнить окисление жирных кислот. Следовательно, в основном обмене у пчел при недостатке углеводов подключаются жирные кислоты и дыхательный коэффициент в этом случае ниже единицы. Но поскольку в указанных опытах дыхательный коэффициент a priori был принят равным единице, определение потребления кислорода не проводилось.
Blatt, Roces (2001) сделали вывод, что снижение уровня трегалозы в гемолимфе свидетельствует о недостаточной скорости синтеза трегалозы из глюкозы в жировом теле для обеспечения метаболизма выше 4,5 ml CO2 в час на особь. Из этого следует, что в метаболизме используется только глюкоза, полученная из трегалозы, синтезированной в свою очередь из глюкозы в жировом теле. То есть используется энергетически затратный путь метаболизма. Так ли это? При том, что роль фруктозы никак не комментируется. Рассмотрим ситуацию, возникшую при скармливании пчелам 50% раствора сахарозы и внешней температуре, при которой проводился опыт, равной 20°C (табл. 1). На обеспечение необходимого уровня метаболизма по выделению углекислого газа требуется 8,68 мг углеводов в расчете на глюкозу. Поступило в гемолимфу, исходя из максимальной скорости транспорта раствора через провентрикулюс, за период опыта все 9,2 мг глюкозы содержавшейся в растворе, что полностью обеспечивает необходимый уровень метаболизма. Наблюдаемое снижение содержания трегалозы в гемолимфе не связано с обеспечением уровня метаболизма выше 4,5 ml CO2 в час на особь. По-видимому, имеют место два противоположно направленных процесса протекающих с разной скоростью. Один связан с восполнением запасов мышечного гликогена с использованием трегалозы гемолимфы, другой связан с синтезом трегалозы и триацилглицеролов в жировом теле из фруктозы.
При более интенсивных нагрузках, например в полете, расход метаболитов возрастает, но схема не меняется. Так, уровень трегалозы в груди у пчел существенно не менялся первые 2-4 минуты полета, а содержание глюкозы резко понижалось уже первые 15 секунд полета (Brandt, Huber, 1979). У пчел вылетающих из улья с достаточным запасом меда в зобике, снижение содержания трегалозы и глюкозы в гемолимфе наблюдалось лишь через 15-60 минут работы. Но при отсутствии меда в зобике содержание глюкозы и трегалозы снижалось на 50% за 30 мин. При поступлении углеводов в зобик уровень трегалозы и глюкозы в гемолимфе восстанавливался в течение 10 минут (Woodring et al., 1993), по другим данным - 2-5 минут (Crailsheim, 1985).
Следует обратить внимание на низкую активность гликоген фосфорилазы в летных мышцах пчел, что свидетельствует против значительного использования гликогена как окисляемого топлива. В то же время у мух активность фосфорилазы в грудных мышцах в 12-15 раз выше, чем у пчел, ос и шмелей (Crabtree, Newsholme, 1972). Это возможно при значительных запасах гликогена в груди. Действительно, у мухи Phormia regina Meigen (Calliphoridae), значительную долю углеводного питания которой составляет нектар цветов, содержание гликогена в грудном отделе в 6 раз выше, чем трегалозы. При этом во время полета содержание гликогена за 10 минут снижается в 6 раз, а трегалозы в 1,5 раза (Clegg, Evans, 1961; Sacktor, Wormser-Shavit, 1966). Это указывает на другой путь метаболизма углеводов в жировом теле.
1. Метаболизм углеводов
Среди всех животных насекомые в полете достигают самых высоких метаболических показателей относительно массы тела, превышающие аналогичные показатели, например для птиц, в 50-100 раз. Летные мышцы насекомых состоят исключительно из фибриллярной ткани и потребляют более 90% кислорода поступающего в организм в полете. Значения дыхательного коэффициента RQ=VCO2/VO2 наиболее близки к единице при низкой активности ферментов участвующих в окислении жирных кислот (Rothe, Nachtigall, 1989), что указывает на углеводы как главное окисляемое топливо, используемое во время полета у пчел (Crabtree, Newsholme, 1972a).
Гемолимфа пчел содержит трегалозу, глюкозу и фруктозу (Woodring et al., 1994) и, очевидно, они в первую очередь используются в полете пчелами (Gmeinbauer, Crailsheim, 1993). Содержание трегалозы в гемолимфе пчел колеблется в пределах 2-40 mg ml-1 (Bounias, Morgan, 1984; Bozic, Woodring, 1997), а глюкозы и фруктозы в пределах 2-16 mg ml-1 (Fell, 1990; Leta et al., 1996), или на особь по 0,03-0,56 и 0,03-0,22 мг соответственно.
Высокая активность трегалазы (Lefebvre, Huber, 1970), гексокиназы и глицеролфосфат дегидрогеназы (Crabtree, Newsholme, 1972), ферментов участвующих в гидролизе трегалозы, фосфорилировании глюкозы, поддержании баланса NAD+/NADH в процессе аэробного гликолиза соответственно, поддерживают мнение, что окисление именно этих сахаров обеспечивает энергию для полета (Suarez et al., 1996).
Blatt, Roces (2001) в прекрасной экспериментальной работе по определению сахаров в гемолимфе пчел и скорости метаболизма, справедливо отмечают, что в исследованиях других авторов по этому вопросу наблюдается огромный разброс и противоречивость результатов. Это определяется различными экспериментальными условиями, влияющими на поведение объекта исследований, а также неоднозначным исходным состоянием самого объекта.
| Температура воздуха, °C | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 39 |
| . V CO2 (ml h-1 на особь) (независимо от концентрации сахара в растворе) |
(9,58) | (8,28) | (6,97) | (5,66) | (4,36) | (3,06) | (2,01) |
| Расход глюкозы, обеспечивающий данный уровень метаболизма (mg min-1 на особь) | 0,207 | 0,175 | 0,145 | 0,115 | 0,088 | 0,061 | 0,039 |
| Расход глюкозы на основной метаболизм (mg на особь) за период времени: | |||||||
| 15 минут | 3,11 | 2,62 | 2,17 | 1,72 | 1,32 | 0,92 | 0,58 |
| 30 минут | 6,22 | 5,24 | 4,34 | 3,44 | 2,64 | 1,84 | 1,16 |
| 60 минут | 12,44 | 10,48 | 8,68 | 6,88 | 5,28 | 3,68 | 2,32 |
| Максимальное количество сахарозы (в пересчете на глюкозу и фруктозу) проходящее через проветрикулюс (максимальная скорость транспорта раствора равна 48 µl h-1 - Roces, Blatt, 1999) в среднюю кишку за период времени: | |||||||
| 15 минут (15% раствор) | 0,95 mg или 5,3 µmol | ||||||
| 30 минут (30% раствор) | 4,06 mg или 22,5 µmol | ||||||
| 60 минут (50% раствор) | 14,75 mg или 81,9 µmol | ||||||
| Содержание глюкозы (или фруктозы) после инвертации в 0,030 мл: | |||||||
| 15% раствора сахарозы | 2,38 mg или 13,2 µmol | ||||||
| 30% раствора сахарозы | 5,07 mg или 28,2 µmol | ||||||
| 50% раствора сахарозы | 9,2 mg или 51,1 µmol | ||||||
| Содержание глюкозы (мг) в гемолимфе особи (объем гемолимфы пчелы массой 78 mg составляет 0,014 ml: по Crailsheim, 1985; Wolf et al., 1996) при потреблении 0,030 мл: | |||||||
| 15% раствора сахарозы | 0,113 | 0,112 | 0,112 | 0,111 | 0,110 | 0,110 | 0,110 |
| 30% раствора сахарозы | 0,17 | 0,15 | 0,14 | 0,12 | 0,10 | 0,09 | 0,07 |
| 50% раствора сахарозы | 0,21 | 0,19 | 0,17 | 0,15 | 0,13 | 0,11 | 0,09 |
| Содержание фруктозы (мг) в гемолимфе особи при потреблении 0,030 мл: | |||||||
| 15% раствора сахарозы | 0,164 | 0,163 | 0,162 | 0,160 | 0,159 | 0,157 | 0,156 |
| 30% раствора сахарозы | 0,25 | 0,22 | 0,19 | 0,16 | 0,13 | 0,10 | 0,08 |
| 50% раствора сахарозы | 0,24 | 0,22 | 0,19 | 0,16 | 0,13 | 0,10 | 0,08 |
| Содержание трегалозы (мг) в гемолимфе особи при потреблении 0,030 мл: | |||||||
| 15% раствора сахарозы | 0,07 | 0,13 | 0,19 | 0,25 | 0,40 | 0,42 | 0,42 |
| 30% раствора сахарозы | 0,20 | 0,26 | 0,31 | 0,36 | 0,52 | 0,51 | 0,51 |
| 50% раствора сахарозы | 0,23 | 0,29 | 0,35 | 0,41 | 0,55 | 0,58 | 0,61 |
| Суммарное содержание глюкозы, фруктозы, трегалозы (мг) в гемолимфе особи при потреблении 0,030 мл: | |||||||
| 15% раствора сахарозы | 0,35 | 0,41 | 0,47 | 0,52 | 0,68 | 0,68 | 0,69 |
| 30% раствора сахарозы | 0,62 | 0,63 | 0,64 | 0,65 | 0,76 | 0,70 | 0,66 |
| 50% раствора сахарозы | 0,68 | 0,69 | 0,70 | 0,71 | 0,81 | 0,78 | 0,76 |
Работа Blatt, Roces (2001) отличается четкой методикой опытов и выровненным биологическим материалом. Используя экспериментальные результаты Blatt, Roces (2001), рассчитано содержание основных метаболитов в гемолимфе и их изменение в организме пчелы при понижении температуры окружающего воздуха (таблица 1), и представлено в форме более удобной для анализа процессов метаболизма. Видна четкая обратная зависимость между температурой и скоростью метаболизма. При сравнении скорости транспорта раствора сахарозы через провентрикулюс и содержанием глюкозы в растворе, можно сделать вывод, что в случае 15% раствора за 15 минут из 2,38 мг глюкозы в гемолимфу попадет только 0,95 мг, что способно поддерживать необходимый уровень гликолиза лишь в интервале температур от 33 до 39°C. В случае 30% раствора за 30 минут из 5,07 мг в гемолимфу попадет 4,06 мг, но и этого количества недостаточно для поддержания скорости гликолиза при температуре ниже 22°C. При кормлении пчел 50% раствором планка опускается до 18°C. За счет каких ресурсов поддерживается необходимый уровень метаболизма при температуре ниже 18°C, например, при 10°C?
Метаболизм углеводов можно представить в виде подвижного баланса между необходимыми затратами, скоростью поступления метаболитов из кишечника и их запасами в гемолимфе, в мышцах и жировом теле. Самый короткий и быстрый путь – использование гликогена мышечной ткани, но его запасы весьма ограничены. Другой путь – это использование глюкозы поступающей в гемолимфу из пищевого субстрата и далее в саркоплазму мышечных клеток. Третий путь – использование трегалозы. Неизвестно, как трегалоза попадает в саркоплазму (Becker et al., 1996), неизвестно где происходит ее гидролиз до глюкозы, поскольку по одним данным фермент трегалаза на 92-95% локализован с наружной стороны внутренней мембраны митохондрий и частично с наружной стороны внешней мембраны в мышцах асинхронного типа с редуцированным эндоплазматическим ретикулюмом (Brandt, Huber, 1979a), по другим имеет и свободную форму в гемолимфе (Lee et al., 2001). Прямое разрушение мембран митохондрий не приводило к активации трегалазы у пчел (Brandt et al., 1979). И, наконец, еще один путь - использование гликогена и триацилглицеролов жирового тела.
Метаболизм углеводов в жировом теле может осуществляться по нескольким направлениям, и выбор какого-нибудь одного из них зависит от ежечасно и даже ежеминутно меняющихся «спроса и предложения» в подвижном балансе затрат:
- глюкоза > глюкозо-6-фосфат > UDP-глюкоза > гликоген;
- гликоген > глюкозо-1-фосфат > глюкозо-6-фосфат > UDP-глюкоза > трегалоза;
- гликоген > глюкозо-1-фосфат > глюкозо-6-фосфат > глюкоза;
- фруктоза > фруктозо-6-фосфат > глюкозо-6-фосфат > UDP-глюкоза > трегалоза;
- фруктоза > фруктозо-1-фосфат > диоксиацетонфосфат + глицеральдегид >
> глицерол-3-фосфат > триацилглицеролы; - фруктоза > фруктозо-6-фосфат > глюкозо-6-фосфат > пируват > ацетил-СоА >
> малонил-СоА > триацилглицеролы.
Триацилглицеролы, в свою очередь, используются в метаболизме мышечных клеток при недостатке углеводного топлива (Candy et al., 1997) по схеме: Триацилглицерол (жировое тело) > жирная кислота + диацилглицерол (переходит в гемолимфу и далее в летные мышцы) > жирные кислоты (окисляются в мышечных клетках до углекислого газа и воды) + глицерол (переходит через гемолимфу обратно в жировое тело и участвует в синтезе триацилглицеролов).
Рассмотрим ситуацию при скармливании пчелам 50% раствора сахарозы и внешней температуре, при которой проводился опыт, равной 10°C (табл. 1). На обеспечение необходимого уровня метаболизма по выделению углекислого газа требуется 12,44 мг углеводов в расчете на глюкозу. Поступило в гемолимфу за период опыта 9,2 мг глюкозы при повышении ее содержания в гемолимфе на 0,12 мг и снижении содержания трегалозы на 0,38 мг, то есть дефицит составил 2,98 мг (12,44+0,12-9,2-0,38). Но остаток фруктозы может обеспечить синтез 8,68 мг трегалозы, что с учетом поступившей глюкозы превышает расход почти в 1,5 раза. Тем не менее, содержание трегалозы в гемолимфе снизилось почти на 60%. Однако в абсолютном значении снижение содержания трегалозы в гемолимфе составляет всего 3% (0,38/12,44) расхода метаболитов и связано, скорее всего, с восполнением мышечного гликогена, используемого в метаболизме в первую очередь. Это можно объяснить также тем, что синтез трегалозы из фруктозы в жировом теле более длительный процесс. К тому же часть фруктозы используется в синтезе глицерола. То есть действует система, регулирующая направления синтетических процессов в жировом теле в зависимости от потребностей метаболизма (Beenakkers et al., 1984).
Теперь рассмотрим ситуацию, возникшую при скармливании пчелам 15% раствора сахарозы и внешней температуре, при которой проводился опыт, равной 10°C (табл. 1). На обеспечение необходимого уровня метаболизма по выделению углекислого газа требуется 3,11 мг углеводов в расчете на глюкозу. Поступило в гемолимфу, исходя из максимальной скорости транспорта раствора через провентрикулюс, за период опыта 0,95 мг глюкозы из 2,38 мг содержавшихся в растворе. Еще столько же может дать фруктоза за счет синтеза трегалозы, но все вместе не обеспечивает необходимого расхода глюкозы, несмотря на падение содержания трегалозы в гемолимфе почти на 85%. Недостающее количество глюкозы в энергетическом плане может восполнить окисление жирных кислот. Следовательно, в основном обмене у пчел при недостатке углеводов подключаются жирные кислоты и дыхательный коэффициент в этом случае ниже единицы. Но поскольку в указанных опытах дыхательный коэффициент a priori был принят равным единице, определение потребления кислорода не проводилось.
Blatt, Roces (2001) сделали вывод, что снижение уровня трегалозы в гемолимфе свидетельствует о недостаточной скорости синтеза трегалозы из глюкозы в жировом теле для обеспечения метаболизма выше 4,5 ml CO2 в час на особь. Из этого следует, что в метаболизме используется только глюкоза, полученная из трегалозы, синтезированной в свою очередь из глюкозы в жировом теле. То есть используется энергетически затратный путь метаболизма. Так ли это? При том, что роль фруктозы никак не комментируется. Рассмотрим ситуацию, возникшую при скармливании пчелам 50% раствора сахарозы и внешней температуре, при которой проводился опыт, равной 20°C (табл. 1). На обеспечение необходимого уровня метаболизма по выделению углекислого газа требуется 8,68 мг углеводов в расчете на глюкозу. Поступило в гемолимфу, исходя из максимальной скорости транспорта раствора через провентрикулюс, за период опыта все 9,2 мг глюкозы содержавшейся в растворе, что полностью обеспечивает необходимый уровень метаболизма. Наблюдаемое снижение содержания трегалозы в гемолимфе не связано с обеспечением уровня метаболизма выше 4,5 ml CO2 в час на особь. По-видимому, имеют место два противоположно направленных процесса протекающих с разной скоростью. Один связан с восполнением запасов мышечного гликогена с использованием трегалозы гемолимфы, другой связан с синтезом трегалозы и триацилглицеролов в жировом теле из фруктозы.
При более интенсивных нагрузках, например в полете, расход метаболитов возрастает, но схема не меняется. Так, уровень трегалозы в груди у пчел существенно не менялся первые 2-4 минуты полета, а содержание глюкозы резко понижалось уже первые 15 секунд полета (Brandt, Huber, 1979). У пчел вылетающих из улья с достаточным запасом меда в зобике, снижение содержания трегалозы и глюкозы в гемолимфе наблюдалось лишь через 15-60 минут работы. Но при отсутствии меда в зобике содержание глюкозы и трегалозы снижалось на 50% за 30 мин. При поступлении углеводов в зобик уровень трегалозы и глюкозы в гемолимфе восстанавливался в течение 10 минут (Woodring et al., 1993), по другим данным - 2-5 минут (Crailsheim, 1985).
Следует обратить внимание на низкую активность гликоген фосфорилазы в летных мышцах пчел, что свидетельствует против значительного использования гликогена как окисляемого топлива. В то же время у мух активность фосфорилазы в грудных мышцах в 12-15 раз выше, чем у пчел, ос и шмелей (Crabtree, Newsholme, 1972). Это возможно при значительных запасах гликогена в груди. Действительно, у мухи Phormia regina Meigen (Calliphoridae), значительную долю углеводного питания которой составляет нектар цветов, содержание гликогена в грудном отделе в 6 раз выше, чем трегалозы. При этом во время полета содержание гликогена за 10 минут снижается в 6 раз, а трегалозы в 1,5 раза (Clegg, Evans, 1961; Sacktor, Wormser-Shavit, 1966). Это указывает на другой путь метаболизма углеводов в жировом теле.
В.Г. Маршаков,
e-mail: volmar_georg@mail.ru