Углеводный обмен

Одним из двух основных источников энергии, необходимой организму для обеспечения разнообразных процессов жизнедеятельности, являются углеводы. Глюкоза и гликоген – легко мобилизуемые энергетические субстраты, используемые организмом для обеспечения энергией многих физиологических процессов, в том числе и реакций на токсическое воздействие. В связи с этим показатели углеводного обмена, его интенсивность и направленность представляют первостепенный интерес при оценке реакции рыб на токсические вещества. Об этом свидетельствуют многочисленные экспериментальные данные, полученные в опытах на разных видах рыб, подвергнутых токсическому воздействию ядов органического и неорганического ряда.

Содержание налимов в растворе фенола концентрацией 5 мл уже в течение первых 24 ч приводило к небольшому, но хорошо заметному подъему уровня сахара в крови, среднее значение которого у подопытных рыб достигало 100 мг% против 73 мг% у контрольных. Через 48 ч после погружения рыб в токсический раствор отмечалась тенденция к некоторому снижению содержания сахара в крови подопытных рыб (92 мг%) и его нормализация в последующие 2 сут. Во всяком случае через 96 ч после начала опытов уровень сахара в крови подопытных и контрольных налимов оказался одинаковым (по 73 мг%). Однако на 5-е сутки контакта рыб с ядом содержание сахара в крови вновь поднялось у подопытных налимов до 94 мг%. Таким образом, у рыб имеет место 2-фазовое изменение уровня сахара: первоначальное повышение (гипергликемия), затем возвращение к норме и относительная стабилизации и понижение в случае продолжающегося контакта рыб с ядом.

У молоди русского осетра, отравленной пестицидами (метафосом, пропанидом и яланом) было отмечено резкое, почти четырехкратное снижение количества гликогена в печени (гипогликемия).

Разнонаправленные изменения содержания гликогена в печени и сахара в крови отражают одно из проявлений реакции рыб на токсическое воздействие. Она сопровождается повышенным расходом углеводов, обусловленным интенсификацией окислительных процессов в тканях. Такая реакция возникает на любое чрезвычайное по силе изменение факторов внешней среды, и мобилизация гликогена для удовлетворения возросших потребностей тканей в глюкозе – это вполне нормальный адаптивный процесс. Другое дело, если действие стрессорного раздражителя, в частности токсиканта, продолжается длительное время, при этом запасы гликогена истощаются и развивается гипогликемия, сопровождаемая судорогами и другими симптомами недостаточного снабжения мозга caxaром.

Еще одним проявлением нарушения углеводного обмена у рыб следует считать переключение характерного для рыб и других позвоночных животных высокоэффективного с энергетической точки зрения аэробного распада углеводов на филогенетически более древний анаэробный гликолиз, сопровождаемый образованием молочной кислоты.

Безусловным нарушением углеводного обмена может служить диссоциация между повышенной потребностью тканей в глюкозе и направленностью углеводного обмена в печени, скажем, преобладание гликогензапасающего характера обмена над гликогенрасходующий.

У рыб основные пути углеводного обмена и ферменты, контролирующие этот обмен, аналогичны известным у высших позвоночных животных. Глюкоза, поступая в клетки печени или мышц рыб, под действием гексокиназы подвергается фосфорилированию и превращается в глюкозо-6-фосфат с использованием при этом энергии фосфатной связи аденозинтрифосфата (АТФ). Образовавшийся глюкозо-6-фосфат под влиянием фосфоглюкомутазы перестраивается в глюкозо-1-фосфат. Заключительный этап синтеза гликогена у рыб осуществляется с помощью гликогенсинтетазы, под действием которой глюкозо-1-фосфат переходит в гликоген.

При токсикозах имеет место высокая активность ферментов фосфоролиза в печени, а также в мышцах разных видов рыб, причем в красных мышцах она выше, чем в белых. Высокая активность гликогенсинтетазы и низкая активность фосфорилазы определяют гликогензапасающий характер углеводного обмена. Смена гликогензапасающей направленности обмена на гликогенрасходующую возможна только при резком увеличении активности фосфорилазы и снижения активности гликогенсинтетазы.

Сигналом для переключения направленности углеводного обмена у рыб служат изменение различных факторов внешней среды (температуры, солености) и поведения, а также сезонная динамика физиолого-биохимических процессов и ряд других.

Восприятие этих сигналов осуществляется, по-видимому, как экстерорецепторами, так и интерорецепторами. Импульсы, возникающие в рецепторах, поступают а центральную нервную систему, а далее включаются нейрогормональные механизмы, контролирующие активность ключевых гликогенсинтезирующих и гликолитических ферментов. Гормональная регуляция углеводного обмена у высших позвоночных осуществляется с помощью гормонов поджелудочной железы (инсулина и глюкагона), коры надпочечников (картизола и дезоксикортикостерона), мозгового вещества надпочечников (адреналина), гипофиза (гормона роста и адренокортикотропного гормона). Одни из этих гормонов, такие, как адреналин, глюкагон и глюкокортикоиды, активируя гликолитические ферменты, интенсифицируют расщепление гликогена, повышают содержание сахара в крови, удовлетворяя тем самым повышенные энергетические потребности клеток тканей и органов. Другие гормоны, например инсулин, активируют активность гликогенсинтезирующих ферментов, усиливая тем самым гликогензапасающую функцию печени.

Полученные в последнее десятилетие экспериментальные данные однозначно свидетельствуют о разностороннем влиянии токсикантов на различные звенья углеводного обмена морских и проходных рыб при острых и хронических токсикозах. Так, краткосрочное выдерживание молоди кижуча в сточных водах целлюлозно-бумажного производства приводит к развитию гипергликемии уже через 3 ч контакта рыб с токсикантами. С некоторым опозданием у подопытных рыб начинается снижение содержания гликогена в печени. Если через 12 ч количество гликогена в печени подопытных рыб не претерпевает существенных изменений, то через 72 ч нахождения рыб в токсическом растворе его содержание снижается почти в 6 раз и составляет лишь 14% его количества у контрольных особей. Согласованные изменения основных показателей углеводного обмена – снижение уровня гликогена в печени и повышение концентрации сахара крови связывают с вероятным выбросом в кровяное русло отравленных рыб катехоламинов, которые, как известно, активируют гликолитические ферменты и приводят к снижению запасов гликогена в печени рыб.

Иные по направленности изменения углеводного обмена обнаружены в хронических опытах с молодью кижуча, подвергнутой токсическому воздействию сточных вод целлюлозно-бумажного производства. Длительное (до 200 сут.) выдерживание рыб в токсическом растворе приводило, как и в острых опытах, к повышению уровня сахара в крови, но содержание гликогена в печени при этом не снижалось, а повышалось. Аналогичные изменения содержания гликогена в печени отмечены в хронических опытах (160-дневные) на радужной форели. Длительный контакт с различными концентрациями пестицида приводил к повышению уровни гликогена в печени подопытных рыб. Более того, длительное плавание, не снижало запасов гликогена в печени, в то время как уконтрольной форели эта же физическая нагрузка приводила к мобилизации гликогена в печени. Таким образом, здесь действительно имеет место нарушение нормального хода углеводного обмена.

Каковы же причины повышения гликогензапасающей функции печени в условиях хронического отравления рыб пестицидам и тяжелыми металлами? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо обратиться к материалам, характеризующим гормональный статус организма рыб в экстремальных условиях хронического отравления тем или иным токсикантом. Как известно, синтез гликогена может происходить либо непосредственно из глюкозы, либо из неуглеводных предшественников, сопровождаясь затратами АТФ и НАД-Н. Взаимосвязь углеводного обмена с белковым и липидным контролируется различными гормонами, в частности адренокортикальными, стимулирующими катаболизм белков и анаболизм углеводов. Наличие у рыб этих гормонов и их участие в регуляции катаболизма белков, а также имеющиеся экспериментальные данные по влиянию адренокортикотропного гормона и кортизола на уровень содержания сахара крови и гликогена печени рыб позволяют сделать вывод о том, что именно этим гормонам принадлежит ведущая роль в изменении направленности углеводного обмена в условиях хронического отравления рыб.

Совокупность представленных данных свидетельствует об однотипности реакции рыб и теплокровных позвоночных на стрессорные раздражители химической природы. Разнообразные по химическому строению токсиканты вызывают активацию гипофиза и выброс в кровяное русло адренокортикотропного гормона, которое в свою очередь усиливает секрецию кортикостероидов интерреналовой железой. Совместное действие этих гормонов приводит к снижению интенсивности использования глюкозы тканями и повышению темпов превращения продуктов расщепления белков в глюкозу, т. е. усиливает гликонеогенез. В результате при хроническом отравлении рыб происходит увеличение запасов гликогена в печени и содержания сахара в крови. При остром отравлении, напротив, происходит снижение концентрации кортизола в крови, повышение концентрации катехоламинов, в частности адреналина, что ведет к снижению запасов гликогена в печени и кратковременному повышению содержания сахара в крови.

Ценность гликогенового теста на токсичность нефтепродуктов состоит в том, что он отражает реакцию целостного организма, причем как в условиях острого и подострого токсикозов, так и, что особенно важно, в условиях хронического отравления, т. е. при действии малых концентраций токсикантов.

Опыты на изолированной печени, позволили понять механизмы снижении резервов гликогена в ней при воздействии на рыб токсикантов. В срезах печени рыб, подвергнутых подострому и хроническому отравлению, заметно снижается продукция глюкозы, одновременно с этим падает содержание гликогена. Эти изменения объясняются повышенным расходом глюкозы, которая может использоваться в качестве источника энергии для обеспечения процесса детоксикации. Развитие у рыб гипергликемии при сниженной продукции глюкозы печенью, можно объяснить пониженной утилизацией глюкозы периферическими тканями отравленных рыб.

Таким образом, показатели углеводного обмена: содержания сахара в крови и гликогена печени, можно использовать в качестве чувствительных критериев токсичности различных групп веществ для рыб.