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)
2. Механизмы термогенеза
Давно известно, что многие насекомые способны регулировать температуру своего тела, в первую очередь груди (Tth), в ответ на изменения температуры среды (Tα). Такая терморегуляция требует наличия особого механизма термогенеза.
Две группы больших летных мышц непрямого действия, DV и DL (dorso-ventral, dorso- longitudinal), используются пчелами, шмелями и осами в разных поведенческих ситуациях, включающих собственно полет, термогенез, звуковые сигналы без видимых движений, жужжание с колебанием сложенных крыльев, общее кратковременное дрожание, биение крыльями с высокой частотой во время вентиляции гнезда (Himmer, 1927, 1932; Esch et al., 1975; Esch, 1976; Heinrich, 1980).
Летные мышцы при температуре грудного отдела ниже, чем требуется для полета, находятся в состоянии тетануса сопровождаемого дрожью, появлением звукового сигнала с последующим дрожанием крыльев (Esch, Goller, 1991). Для поддержания состояния тетануса требуется большой непрерывный гидролиз молекул АТР с высвобождением большого количества энергии, часть которой рассеивается и повышает температуру мышц. Длительное состояние тетануса невозможно, быстро наступает частичное снижение тетануса сопровождающееся появлением дрожи в мышцах и последующим расслаблением. В опытах с одновременной регистрацией терморегуляции при Tα=26°C (увеличение выработки энергии определялось калориметрически) и звуковых сигналов у шмелей Bombus lapidarius выявлена строгая последовательность между терморегуляцией и звуковыми сигналами. Во всех случаях появление терморегуляции фиксировалось по меньшей мере за 5 минут до появления звуковых сигналов. Процесс терморегуляции имел четко выраженный циклический характер. Амплитуда и частота терморегуляции понижались в течение некоторого периода, затем цикл повторялся. В начале каждого цикла жужжания и дрожания крыльев (wing buzzing) терморегуляция достигала максимального значения (Schultze-Motel, Lamprecht, 1994).
Это хорошо подтверждается ослаблением тетануса, фиксируемого изменением отношения частоты возбуждения DL/DV в отношении перехода от состояния дрожи (shivering) к жужжанию (buzzing) и собственно полету (flight) (табл. 2).
Таблица 2. Частоты возбуждения летных мышц и состояние
объекта (по: Esch, Goller, 1991)
Состояние объекта
Соотношение частот возбуждения DL/DV
Пчелы
Шмели
Дрожание (shivering)
1,34±0,25
1,38±0,34
Жужжание-гудение (buzzing)
1,08±0,12
-
Полет (flight)
0,86±0,13
0,70±0,08
Состояние тетануса можно сравнить со статической разминкой (разогревом) мышц. Состояние тетануса легко определяется по изменению положения заднеспинки (scutellum) в период дрожания (shivering) грудного отдела. Повышение температуры груди никогда не наблюдалось в отсутствие мышечных сокращений. Это наблюдение очень важно, поскольку в ряде работ обосновывается предположение о наличии термогенеза не связанного с дрожанием груди вследствие тетануса (NST - nonshivering thermogenesis) (Greive, Surholt, 1990; Surholt et al., 1990). Таким образом, термогенез основан на энергии работы крыловых мышц непрямого действия. Если в процессе сокращения мышц крылья не соединены жестко со скутумом аксиллярным аппаратом, термогенез сопровождается в разной степени заметным дрожанием груди и слабыми звуками. Если аксиллярный аппарат входит в зацепление с крыловыми пластинками, можно наблюдать дрожание крыльев и выраженное гудение. Кроме того предполагается, что в процессе термогенеза в предполетный период на летные мышцы передается потенциал действия без заметного движения крыльев (Surholt et al., 1990) при минимальной деформации груди (Esch, Goller, 1991).
Термогенез можно подразделить на управляемый заданной функцией терморегуляции и не управляемый. В первом случае имеет место поддержание температуры груди на определенном уровне для обеспечения полета, необходимой температуры в расплодной зоне, обеспечение температурного градиента в зимующем клубе. В этом случае процесс термогенеза носит прерывистый характер с обратной связью с уровнем терморегуляции. Во втором случае термогенез не связан с функцией терморегуляции и является следствием требуемой мощности мышечной работы при полете с разной нагрузкой.
Термогенез осуществляется в основном за счет метаболизма в мышечных клетках, за счет окислительного фосфорилирования в митохондриях и расщепления АТР в фибриллах актиномиозин АТР-фосфатазой (Askew et al., 2010). Механизм терморегуляции у пчел, шмелей и ос активно обсуждается с начала 70-х годов. Одна из теорий предполагает терморегуляцию как результат ферментативных реакций субстратного цикла (‘futile cycle’) в мышечных клетках (в норме необратимая третья реакция гликолиза фруктозо-6-фосфат > фруктозо-1,6-бифосфат становится обратимой и гликолиз в той или иной степени блокируется). Newsholme et al. (1972) обнаружили высокую и практически равную активность фосфофруктокиназы (PFK) и фруктозо-бифосфатазы (FbPase) в летных мышцах шмелей. Они предположили, что необычно высокая активность FbPase приводит к быстрому гидролизу фруктозо-1,6-бифосфата, полученного действием PFK, что опять обеспечивает PFK субстратом. В результате на каждый единичный цикл гидролизуется молекула АТР. Если этот механизм функционирует с высокой скоростью, то такой субстратный цикл будет сопровождаться выделением большого количества энергии без совершения механической работы, то есть осуществляется термогенез. Удивление исследователей вызвал факт отсутствия субстратного цикла у пчел. Цикл деактивируется с началом полета, поскольку активность FbPase ингибируется ионами Ca2+ выбрасываемыми в цитоплазму мышечных клеток при деполяризации мембран нервным импульсом и возникновении потенциала сокращения мышечного волокна (Clark et al., 1973; Storey, 1978; Grieve, Surholt, 1990). Относительно ингибирования фруктозо-бифосфатазы свободными ионами кальция, факта обычно не подвергаемого сомнению, необходимо сделать два замечания. Согласно Матвееву В.В. (2006) «В клетке аккумулируются только те вещества, для которых в ней имеется достаточное количество центров связывания. Чем больше таких центров и чем выше их сродство (избирательность) к данному веществу (иону), тем больше разница между внутри- и внеклеточной концентрациями данного соединения (иона)». То есть ионы кальция эндоплазматического ретикулюма мышечной клетки моментально связываются соответствующими центрами тропонина в миофибриллах и в свободном состоянии в процессе сокращения мышечной клетки отсутствуют. Это хорошо согласуется с появившимися данными о том, что свободные ионы кальция в клетке могут ингибировать гликолиз и потребление кислорода (Jung et al., 2000) и не являются управляющим элементом гликолиза при выработке энергии (Ørtenblad et al., 2009).
Если FbPase/ PFK субстратный цикл является общим механизмом термогенеза, можно предполагать такую активность ферментов не только у европейских видов шмелей. Для решения этого вопроса было проведено исследование 8 видов северо-американских видов шмелей (Staples et al., 2004), включая голарктические B. Terrestris и B. Affinis. Результаты имели смешанный характер. Только у двух видов была зарегистрирована активность FbPase на уровне 50% активности PFK.
Тем не менее, эта элегантная теория использования субстратного цикла в процессе термогенеза была подвергнута резкой критике с нескольких позиций. Ряд исследователей считают, что величина термогенеза, полученная как на основе оценки субстратного цикла in vivo (Clark et al., 1973), так и на основе скорости цикла в зависимости от максимальной активности PFK и FbPase, явно недостаточна для терморегуляции грудного отдела (Kammer, Heinrich, 1978; Newsholme, Crabtree, 1976). Staples et al. (2004), анализируя собственные данные только для одного вида шмелей, пришли к выводу, что FbPase/ PFK цикл дает менее 7% энергии необходимой для поддержания оптимальной температуры груди у шмелей в холодную погоду (Heinrich, 1972).
2. Механизмы термогенеза
Давно известно, что многие насекомые способны регулировать температуру своего тела, в первую очередь груди (Tth), в ответ на изменения температуры среды (Tα). Такая терморегуляция требует наличия особого механизма термогенеза.
Две группы больших летных мышц непрямого действия, DV и DL (dorso-ventral, dorso- longitudinal), используются пчелами, шмелями и осами в разных поведенческих ситуациях, включающих собственно полет, термогенез, звуковые сигналы без видимых движений, жужжание с колебанием сложенных крыльев, общее кратковременное дрожание, биение крыльями с высокой частотой во время вентиляции гнезда (Himmer, 1927, 1932; Esch et al., 1975; Esch, 1976; Heinrich, 1980).
Летные мышцы при температуре грудного отдела ниже, чем требуется для полета, находятся в состоянии тетануса сопровождаемого дрожью, появлением звукового сигнала с последующим дрожанием крыльев (Esch, Goller, 1991). Для поддержания состояния тетануса требуется большой непрерывный гидролиз молекул АТР с высвобождением большого количества энергии, часть которой рассеивается и повышает температуру мышц. Длительное состояние тетануса невозможно, быстро наступает частичное снижение тетануса сопровождающееся появлением дрожи в мышцах и последующим расслаблением. В опытах с одновременной регистрацией терморегуляции при Tα=26°C (увеличение выработки энергии определялось калориметрически) и звуковых сигналов у шмелей Bombus lapidarius выявлена строгая последовательность между терморегуляцией и звуковыми сигналами. Во всех случаях появление терморегуляции фиксировалось по меньшей мере за 5 минут до появления звуковых сигналов. Процесс терморегуляции имел четко выраженный циклический характер. Амплитуда и частота терморегуляции понижались в течение некоторого периода, затем цикл повторялся. В начале каждого цикла жужжания и дрожания крыльев (wing buzzing) терморегуляция достигала максимального значения (Schultze-Motel, Lamprecht, 1994).
Это хорошо подтверждается ослаблением тетануса, фиксируемого изменением отношения частоты возбуждения DL/DV в отношении перехода от состояния дрожи (shivering) к жужжанию (buzzing) и собственно полету (flight) (табл. 2).
| Состояние объекта | Соотношение частот возбуждения DL/DV | |
| Пчелы | Шмели | |
| Дрожание (shivering) | 1,34±0,25 | 1,38±0,34 |
| Жужжание-гудение (buzzing) | 1,08±0,12 | - |
| Полет (flight) | 0,86±0,13 | 0,70±0,08 |
Состояние тетануса можно сравнить со статической разминкой (разогревом) мышц. Состояние тетануса легко определяется по изменению положения заднеспинки (scutellum) в период дрожания (shivering) грудного отдела. Повышение температуры груди никогда не наблюдалось в отсутствие мышечных сокращений. Это наблюдение очень важно, поскольку в ряде работ обосновывается предположение о наличии термогенеза не связанного с дрожанием груди вследствие тетануса (NST - nonshivering thermogenesis) (Greive, Surholt, 1990; Surholt et al., 1990). Таким образом, термогенез основан на энергии работы крыловых мышц непрямого действия. Если в процессе сокращения мышц крылья не соединены жестко со скутумом аксиллярным аппаратом, термогенез сопровождается в разной степени заметным дрожанием груди и слабыми звуками. Если аксиллярный аппарат входит в зацепление с крыловыми пластинками, можно наблюдать дрожание крыльев и выраженное гудение. Кроме того предполагается, что в процессе термогенеза в предполетный период на летные мышцы передается потенциал действия без заметного движения крыльев (Surholt et al., 1990) при минимальной деформации груди (Esch, Goller, 1991).
Термогенез можно подразделить на управляемый заданной функцией терморегуляции и не управляемый. В первом случае имеет место поддержание температуры груди на определенном уровне для обеспечения полета, необходимой температуры в расплодной зоне, обеспечение температурного градиента в зимующем клубе. В этом случае процесс термогенеза носит прерывистый характер с обратной связью с уровнем терморегуляции. Во втором случае термогенез не связан с функцией терморегуляции и является следствием требуемой мощности мышечной работы при полете с разной нагрузкой.
Термогенез осуществляется в основном за счет метаболизма в мышечных клетках, за счет окислительного фосфорилирования в митохондриях и расщепления АТР в фибриллах актиномиозин АТР-фосфатазой (Askew et al., 2010). Механизм терморегуляции у пчел, шмелей и ос активно обсуждается с начала 70-х годов. Одна из теорий предполагает терморегуляцию как результат ферментативных реакций субстратного цикла (‘futile cycle’) в мышечных клетках (в норме необратимая третья реакция гликолиза фруктозо-6-фосфат > фруктозо-1,6-бифосфат становится обратимой и гликолиз в той или иной степени блокируется). Newsholme et al. (1972) обнаружили высокую и практически равную активность фосфофруктокиназы (PFK) и фруктозо-бифосфатазы (FbPase) в летных мышцах шмелей. Они предположили, что необычно высокая активность FbPase приводит к быстрому гидролизу фруктозо-1,6-бифосфата, полученного действием PFK, что опять обеспечивает PFK субстратом. В результате на каждый единичный цикл гидролизуется молекула АТР. Если этот механизм функционирует с высокой скоростью, то такой субстратный цикл будет сопровождаться выделением большого количества энергии без совершения механической работы, то есть осуществляется термогенез. Удивление исследователей вызвал факт отсутствия субстратного цикла у пчел. Цикл деактивируется с началом полета, поскольку активность FbPase ингибируется ионами Ca2+ выбрасываемыми в цитоплазму мышечных клеток при деполяризации мембран нервным импульсом и возникновении потенциала сокращения мышечного волокна (Clark et al., 1973; Storey, 1978; Grieve, Surholt, 1990). Относительно ингибирования фруктозо-бифосфатазы свободными ионами кальция, факта обычно не подвергаемого сомнению, необходимо сделать два замечания. Согласно Матвееву В.В. (2006) «В клетке аккумулируются только те вещества, для которых в ней имеется достаточное количество центров связывания. Чем больше таких центров и чем выше их сродство (избирательность) к данному веществу (иону), тем больше разница между внутри- и внеклеточной концентрациями данного соединения (иона)». То есть ионы кальция эндоплазматического ретикулюма мышечной клетки моментально связываются соответствующими центрами тропонина в миофибриллах и в свободном состоянии в процессе сокращения мышечной клетки отсутствуют. Это хорошо согласуется с появившимися данными о том, что свободные ионы кальция в клетке могут ингибировать гликолиз и потребление кислорода (Jung et al., 2000) и не являются управляющим элементом гликолиза при выработке энергии (Ørtenblad et al., 2009).
Если FbPase/ PFK субстратный цикл является общим механизмом термогенеза, можно предполагать такую активность ферментов не только у европейских видов шмелей. Для решения этого вопроса было проведено исследование 8 видов северо-американских видов шмелей (Staples et al., 2004), включая голарктические B. Terrestris и B. Affinis. Результаты имели смешанный характер. Только у двух видов была зарегистрирована активность FbPase на уровне 50% активности PFK.
Тем не менее, эта элегантная теория использования субстратного цикла в процессе термогенеза была подвергнута резкой критике с нескольких позиций. Ряд исследователей считают, что величина термогенеза, полученная как на основе оценки субстратного цикла in vivo (Clark et al., 1973), так и на основе скорости цикла в зависимости от максимальной активности PFK и FbPase, явно недостаточна для терморегуляции грудного отдела (Kammer, Heinrich, 1978; Newsholme, Crabtree, 1976). Staples et al. (2004), анализируя собственные данные только для одного вида шмелей, пришли к выводу, что FbPase/ PFK цикл дает менее 7% энергии необходимой для поддержания оптимальной температуры груди у шмелей в холодную погоду (Heinrich, 1972).
В.Г. Маршаков,
e-mail: volmar_georg@mail.ru