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)
3. Эффекторы гликолиза
Поскольку гликолиз является основным метаболитическим путем обеспечения энергией летных мышц, то регулирование этого процесса возможно посредством эффекторов фосфофруктокиназы (PFK), ключевого фермента гликолиза. Среди других эффекторов PFK у пчел в условиях физиологической концентрации АТР, АМР, фосфата и фруктозо-6-фосфата, наличие глюкозо-1,6-бифосфата или фруктозо-1,6-бифосфата угнетало активность фермента. В летных мышцах пчел, в отличие от мышц других животных, не обнаружено влияния АМР на активность фермента и в процессе полета колебания концетрации АМР вероятно очень незначительны, поскольку в летных мышцах у пчел в состоянии покоя концентрация АМР очень высока (Beis, Newsholme, 1975) и активность аденилат-киназы в летных мышцах пчел в полете низка в сравнении с другими мышцами и с уровнем оборота АТР.
Два фактора способны снизить ингибирующий эффект глюкозо-1,6-бифосфата и фруктозо-1,6-бифосфата на фермент PFK в летных мышцах пчелы – это субстраты фруктозо-6-фосфат и особенно фруктозо-2,6-бифосфат. Концентрация фруктозо-2,6-бифосфата в летных мышцах пчелы в состоянии покоя лишь 4,4±0,73 nmol/грамм мышц. Это подтверждает, что в летных мышцах пчелы в состоянии покоя, низкая активность PFK обусловлена концентрацией глюкозо-1,6-бифосфата и фруктозо-1,6-бифосфата, но при инициации подготовки к полету этот эффект исчезает при увеличении концентрации как фруктозо-6-фосфата, так и фруктозо-2,6-бифосфата. У тараканов в летных мышцах концентрация фруктозо-2,6-бифосфата на начало полета в два раза выше, чем в состоянии покоя. Остается неизвестным, как осуществляется контроль за концентрацией фруктозо-2,6-бифосфата в летных мышцах пчел, но вслед за увеличением концентрации фруктозо-6-фосфата происходит увеличение активности не только 6-фруктозо-1-киназы катализирующей превращение фруктозо-6-фосфата в фруктозо-1,6-бифосфат, но и 6-фруктозо-2-киназы, катализирующей превращение фруктозо-6-фосфата в фруктозо-2,6-бифосфат.
Низкая концентрация фруктозо-6-фосфата в летных мышцах пчел в состоянии покоя (Beis, Newsholme, 1975) может скачком увеличиваться при подготовке к полету, следовательно, уровень фосфорилирования глюкозы в мышцах находится под контролем субстратного цикла между глюкозой и глюкозо-6-фосфатом (Surholt, Newsholme, 1981). Можно высказать предположение, что иной механизм контроля PFK у пчел в сравнении другими насекомыми (саранчевые, тараканы, бабочки) связан с их образом жизни.
В последние годы выяснено, что активность PFK в разных тканях регулируется фруктозо-2,6-бифосфатом, возможно, наиболее важным активатором ферментов у млекопитающих. Фруктозо-2,6-бифосфат играет важную роль в регуляции уровня гликолиза и/или глюконеогенеза в печени, активирует PFK, но ингибирует FbPase, осуществляя прямой контроль над направлением метаболизма глюкозы (Wegener et al., 1986).
Определение гликолитических интермедиатов в летных мышцах шмелей при низких и нормальных температурах, выявило статистически достоверное увеличение концентрации AMP, фруктозо-2,6-бифосфата, глюкозо-6-фосфата и уменьшение концентрации ATP в полете при 25°C или в состоянии покоя при 5°C (табл. 3).
Таблица 3. Содержание метаболитов (μM/грам мышечной массы) в летных мышцах шмелей (1 – Leite et al., 1988; 2 – Newsholme et al., 1972).
Состояние шмелей
F2,6P2
AMP
G6P
ATP
F1,6P2
F6P
В покое1), 25°C
2,77±0,50
0,16±0,04
0,07±0,01
3,02±0,35
0,05±0,01
0,06±0,01
В полете1), 25°C
7,13±0,58
0,39±0,09
0,16±0,03
2,56±0,33
0,05±0,01
0,06±0,01
В покое1), 5°C
7,26±0,86
0,37±0,05
0,15±0,04
2,30±0,27
0,06±0,01
0,08±0,01
В покое2)
0,11±0,03
2,69±0,18
0,16±0,02
0,06±0,01
В полете2)
0,22±0,09
2,10±0,28
0,16±0,01
0,03±0,01
Шмелей Bombus atratus (Leite et al., 1988) отлавливали в поле на цветах в районе Сант-Пауло (Бразилия) и содержали в темноте при 25°C и 5°C в течение 5 минут, после чего мгновенно замораживали в жидком азоте. Другую группу принуждали к полету в течение 2 минут, а затем также замораживали. Шмелей Bombus hortorum (Newsholme et al., 1972) отлавливали в районе Оксфорда (Англия) и содержали в темной комнате до начала опыта в течение нескольких часов (температура не указана). Несмотря на то, что указанные виды шмелей обитают в разных температурных и климатических зонах, изменения концентрации основных метаболитов в покое и в полете очень схожи (табл. 3).
Leite et al. (1988) установили, что активность PFK ингибируется высокими концентрациями АТР и усиливается с возрастанием концентрации АМР. В то же время увеличение концентрации фруктозо-2,6-бифосфата до 7,2 μM понижало активность FbPase в 2,5 раза при максимальном усилении активности PFK. При таких условиях появление FbPase/ PFK субстратного цикла выглядит проблематично. Особенно, если учесть, что по данным Newsholme et al. (1972) у всех шмелей отмечена активность альдолазы (реакция 4 гликолиза; расщепление фруктозо-1,6-бифосфата на дигидроацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат) на уровне активности PFK, что должно приводить к конкуренции за субстрат с FbPase. К тому же и активность митохондриальной глицерол-3-фосфат дегидрогеназы (глицерол-фосфатный челночный механизм) соответствовала нормальному гликолизу. Все это указывает на наличие некоторого неучтенного фактора приводящего к скачку активности FbPase.
3. Эффекторы гликолиза
Поскольку гликолиз является основным метаболитическим путем обеспечения энергией летных мышц, то регулирование этого процесса возможно посредством эффекторов фосфофруктокиназы (PFK), ключевого фермента гликолиза. Среди других эффекторов PFK у пчел в условиях физиологической концентрации АТР, АМР, фосфата и фруктозо-6-фосфата, наличие глюкозо-1,6-бифосфата или фруктозо-1,6-бифосфата угнетало активность фермента. В летных мышцах пчел, в отличие от мышц других животных, не обнаружено влияния АМР на активность фермента и в процессе полета колебания концетрации АМР вероятно очень незначительны, поскольку в летных мышцах у пчел в состоянии покоя концентрация АМР очень высока (Beis, Newsholme, 1975) и активность аденилат-киназы в летных мышцах пчел в полете низка в сравнении с другими мышцами и с уровнем оборота АТР.
Два фактора способны снизить ингибирующий эффект глюкозо-1,6-бифосфата и фруктозо-1,6-бифосфата на фермент PFK в летных мышцах пчелы – это субстраты фруктозо-6-фосфат и особенно фруктозо-2,6-бифосфат. Концентрация фруктозо-2,6-бифосфата в летных мышцах пчелы в состоянии покоя лишь 4,4±0,73 nmol/грамм мышц. Это подтверждает, что в летных мышцах пчелы в состоянии покоя, низкая активность PFK обусловлена концентрацией глюкозо-1,6-бифосфата и фруктозо-1,6-бифосфата, но при инициации подготовки к полету этот эффект исчезает при увеличении концентрации как фруктозо-6-фосфата, так и фруктозо-2,6-бифосфата. У тараканов в летных мышцах концентрация фруктозо-2,6-бифосфата на начало полета в два раза выше, чем в состоянии покоя. Остается неизвестным, как осуществляется контроль за концентрацией фруктозо-2,6-бифосфата в летных мышцах пчел, но вслед за увеличением концентрации фруктозо-6-фосфата происходит увеличение активности не только 6-фруктозо-1-киназы катализирующей превращение фруктозо-6-фосфата в фруктозо-1,6-бифосфат, но и 6-фруктозо-2-киназы, катализирующей превращение фруктозо-6-фосфата в фруктозо-2,6-бифосфат.
Низкая концентрация фруктозо-6-фосфата в летных мышцах пчел в состоянии покоя (Beis, Newsholme, 1975) может скачком увеличиваться при подготовке к полету, следовательно, уровень фосфорилирования глюкозы в мышцах находится под контролем субстратного цикла между глюкозой и глюкозо-6-фосфатом (Surholt, Newsholme, 1981). Можно высказать предположение, что иной механизм контроля PFK у пчел в сравнении другими насекомыми (саранчевые, тараканы, бабочки) связан с их образом жизни.
В последние годы выяснено, что активность PFK в разных тканях регулируется фруктозо-2,6-бифосфатом, возможно, наиболее важным активатором ферментов у млекопитающих. Фруктозо-2,6-бифосфат играет важную роль в регуляции уровня гликолиза и/или глюконеогенеза в печени, активирует PFK, но ингибирует FbPase, осуществляя прямой контроль над направлением метаболизма глюкозы (Wegener et al., 1986).
Определение гликолитических интермедиатов в летных мышцах шмелей при низких и нормальных температурах, выявило статистически достоверное увеличение концентрации AMP, фруктозо-2,6-бифосфата, глюкозо-6-фосфата и уменьшение концентрации ATP в полете при 25°C или в состоянии покоя при 5°C (табл. 3).
| Состояние шмелей | F2,6P2 | AMP | G6P | ATP | F1,6P2 | F6P |
|---|---|---|---|---|---|---|
| В покое1), 25°C | 2,77±0,50 | 0,16±0,04 | 0,07±0,01 | 3,02±0,35 | 0,05±0,01 | 0,06±0,01 |
| В полете1), 25°C | 7,13±0,58 | 0,39±0,09 | 0,16±0,03 | 2,56±0,33 | 0,05±0,01 | 0,06±0,01 |
| В покое1), 5°C | 7,26±0,86 | 0,37±0,05 | 0,15±0,04 | 2,30±0,27 | 0,06±0,01 | 0,08±0,01 |
| В покое2) | 0,11±0,03 | 2,69±0,18 | 0,16±0,02 | 0,06±0,01 | ||
| В полете2) | 0,22±0,09 | 2,10±0,28 | 0,16±0,01 | 0,03±0,01 |
Шмелей Bombus atratus (Leite et al., 1988) отлавливали в поле на цветах в районе Сант-Пауло (Бразилия) и содержали в темноте при 25°C и 5°C в течение 5 минут, после чего мгновенно замораживали в жидком азоте. Другую группу принуждали к полету в течение 2 минут, а затем также замораживали. Шмелей Bombus hortorum (Newsholme et al., 1972) отлавливали в районе Оксфорда (Англия) и содержали в темной комнате до начала опыта в течение нескольких часов (температура не указана). Несмотря на то, что указанные виды шмелей обитают в разных температурных и климатических зонах, изменения концентрации основных метаболитов в покое и в полете очень схожи (табл. 3).
Leite et al. (1988) установили, что активность PFK ингибируется высокими концентрациями АТР и усиливается с возрастанием концентрации АМР. В то же время увеличение концентрации фруктозо-2,6-бифосфата до 7,2 μM понижало активность FbPase в 2,5 раза при максимальном усилении активности PFK. При таких условиях появление FbPase/ PFK субстратного цикла выглядит проблематично. Особенно, если учесть, что по данным Newsholme et al. (1972) у всех шмелей отмечена активность альдолазы (реакция 4 гликолиза; расщепление фруктозо-1,6-бифосфата на дигидроацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат) на уровне активности PFK, что должно приводить к конкуренции за субстрат с FbPase. К тому же и активность митохондриальной глицерол-3-фосфат дегидрогеназы (глицерол-фосфатный челночный механизм) соответствовала нормальному гликолизу. Все это указывает на наличие некоторого неучтенного фактора приводящего к скачку активности FbPase.
В.Г. Маршаков,
e-mail: volmar_georg@mail.ru