Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Состояние адаптированности достигается за счет морфофункциональных и биохимических перестроек как на организменном [10], так и на клеточно-молекулярном уровнях [1, 7]. Сложнейшие процессы развития ребенка в экстремальных условиях Севера осуществляются на фоне действия неблагоприятных экологических факторов, которые обусловливают специфическую перестройку их обменных процессов, лежащих в основе адаптивных реакций [3]. Исследованиями, проведенными на Севере [5], показано, что состав мембранных липидов у детей, как коренного, так и пришлого населения может быть подвержен значительным колебаниям, и зависит от целостности и функциональной активности липидной и фосфолипидной матрицы биомембран. Такой фактор, как структурированная вода к настоящему времени, хотя и считается известным, но является малоизученным.

В данный момент доказано, что вода является не только растворителем и средой в клетке, в которой протекают все биохимические превращения, но, находясь в связанном с биомембраной состоянии она непосредственно участвует в метаболических и энергетических процессах [1]. Благодаря слабым связям и способности воды постоянно образовывать кластеры (водное окружение) вокруг белков и липидов она обеспечивает тонкую регуляцию в биомембранах, что может быть пусковым механизмом в реализации основных эффектов внешнего воздействия. [1].

Работы, проведенные биофизиками, показали влияние электромагнитного излучения на воду, причем, как на чистую и ее растворы, так и структурированную в составе модельных биомембран (фосфатидилхолиновых липосом). Было экспериментально доказано, что структурированная вода является первичным звеном реагирования на электромагнитные возмущения [9, 6, 4]. В этой связи изучение влияния экстремальных факторов Севера (наличие низких температур, нарушение фотопериодизма, колебания геомагнитного и электрического полей) на взаимодействия структурированной воды с фосфолипидами биомембран является актуальным. До настоящего времени структурированная вода оценивалась только по количественному показателю и не изучалась во взаимосвязи со структурными фосфолипидами.

Поэтому целью нашей работы явилось изучение взаимодействия структруированной воды с основными стуртурными компонентами эритроцитарных мембран и их влиянием на физико-химические свойства.

Материалы
и методы исследования

Обследованы 106 практически здоровых детей в возрасте от 8 до 12 лет, проживающие на севере и в г. Красноярске. В Эвенкии (пос. Тура): дети пришлого населения − 39 человек и коренного населения − 32 человека. Группой сравнения явились школьники аналогичного возраста г. Красноярска (35 человек). Клиническое обследование детей осуществлялось педиатрами Института медицинских проблем Севера.

В мембранах эритроцитов определяли липидный спектр методом тонкослойной хроматографии [8], физико-химические свойства – методом измерения флюоресценции спектров взаимодействия биомембран с зондами [2]. Данные измерения производились на спектрофлуориметре MPF – 4 марки «Хитачи» (Япония). Исследование физико-химических свойств мембран эритроцитов проводилось по 5 тестам. 1. Определение уровня триптофановых групп белков в липидном слое мембран по калибровочной кривой с использованием стандартного раствора триптофана (длина волны испускания 334 нм и длин волны возбуждения 284 нм) [2]. 2. Оценка текучести жирнокислотных остатков углеводородов мембранных фосфолипидов по эксимеризации пирена (длина волны испускания 350 нм, возбуждения – 340 нм) рассчитывалась по соотношению эксимеры/мономеры [2]. 3. Определение степени подвижности поверхностных белково-липидных структур мембран эритроцитов по характеристики обратной величины анизотропии мембран с встроенным зондом 1-анилино-нафталин-8 сульфонат (АНС) (длина волны испускания 400 нм, возбуждения – 360 нм) [2]. 4. Определение степени подвижности молекул триптофанилов мембран эритроцитов по характеристики обратной величины анизотропии триптофановых групп белков мембран [2]. Он рассчитывался по коэффициенту 1/ показатель анизотропии триптофановых групп белков (длина волны испускания 400 нм, возбуждения – 360 нм). 5. Определение количества структурированной воды (степени гидратированности мембран) проводилось с помощью флуоресцентного зонда 4-диметиламинохалкона (ДМХ) и рассчитывался по коэффициенту (1/фл. ДМХ). Применялся коэффициент асимметрии текучестей (КАТ), определяемый по отношению показателя текучестей поверхностных слоев мембран (1/анизотропии зонда АНС) к показателю текучести жирнокислотных остатков углеводородов мембранных фосфо-
липидов.

Математическую обработку полученных результатов проводили с использованием статистического пакета прикладных программ BIOSTAT, ver. 6.0. (StatSoft Inc. США). Все полученные результаты проверялись на нормальность распределения с помощью критерия Колмогорова-Смирнова. Для количественных признаков использовался непараметрический U-критерий Манн-Уитни при сравнении двух несвязанных выборок. Изменения считаются статистически значимыми при уровне значимости Р< 0,05. Анализ зависимости признаков проводится с помощью расчета и оценки значимости непараметрического коэффициента корреляции по Спирмену. При значении Р< 0,05 регрессионная модель адекватно описывает взаимосвязь признаков. Результаты исследования количественных параметров в группах сравнения представлены в виде Ме – медиана, (Min-max).

Результаты исследования
и их обсуждение

Сравнительный анализ липидного и фосфолипидного спектра эритроцитарных мембран выявил различия у детей пришлого населения как с детьми эвенков, так и с детьми г. Красноярска (табл. 1), характризовавшиеся снижением общих фосфолипидов (ОФЛ) (р=0,0024; р<0,001), фосфатидилхолина (ФХ) (р=0,0024; р<0,001 ) и интегрального коэффициента ЛФХ/ФХ (р=0,0072; р=0,0002). Дополнительными отличиями в структуре мембранных липидов в сравнении с детьми г. Красноярска было снижение уровня холестерина (ХС) (р=0,0003). В спектре фосфолипидов отмечалось уменьшение содержания фосфатидилэтаноламин (ФЭА) (р=0,0011), легкоокисляемых фракций фосфатидилсерина и фосфатидилинозитола (ФС+ФИ) (р=0,0011) и повышение содержания сфингомиелина (СМ) (р=0,0003). В сравнении с детьми эвенков в составе фосфолипидов было выявлено снижение уровня лизофосфатидилхолина (ЛФХ) (р=0,0010). Выявленные различия в содержании структурных липидов у детей пришлого населения в сравнении детьми эвенков и с детьми г. Красноярска отражались на физико-химических свойствах их биомембран ( табл. 2).

У детей пришлого населения в сравнении детьми эвенков обнаружено увеличение подвижности молекул триптофанилов (р=0,0465), что, по нашему мнению, является адаптационно-приспособительным признаком белковой компоненты мембраны эритроцитов и свидетельствует об их ферментативной активации. Более выраженные различия в биофизических свойств мембран эритроцитов у детей пришлого населения Эвенкии выявлены при сравнении их с группой детей г. Красноряска, заключавшиеся в снижении уровня интегральных белков (триптофановые группы белков) (р < 0,001), степени флуоресценции зонда АНС (р < 0,001), текучести углеводородного слоя фосфолипидов (р=0,0631) и повышении степени гидратированности мембран (р < 0,001), подвижности поверхностного белок-липидного слоя эритроцитарных мембран (р=0,0080) и показателя асимметрии текучестей (р < 0,001).

Проведенный нами корреляционный анализ выявил обратную взаимосвязь между показателями структурированной воды и общим количеством фосфолипидов у детей коренного населения (r=−0,2845, p=0,0409). Это свидетельствует об умерен ном «разрыхлении» разупорядочивании липосом фосфолипидов в их водном

Таблица 1

Показатели липидного обмена эритроцитарных мембран у детей от 8 до 12 лет различных регионов (Me 25 ‰ –75 ‰)

Таблица 2

Показатели физико-химических свойств эритроцитарных мембран у детей от 8 до 12 лет различных регионов (Me 25 ‰–75 ‰)

окружении. У детей пришлого населения была выявлена аналогичная обратная корреляционная взаимосвязь повышенной гидратированности эритроцитарных мембран с общим количеством фосфолипидов (ОФЛ) и прямая − с холестерином (СХС) (ОФЛ/СХС) (r= − 0,3782, p=0,0359), что, не смотря на слабо выраженную степень скоррелированности, подтверждало данные литературы, по которым структурированная вода участвовала в переносе холестерина через мембрану [1]. Наличие прямых корреляционных взаимосвязей мембранного холестерина с общим количеством фосфолипидов как у детей коренного населения (r= 0,3880, p=0,0045), так и у пришлого (r= 0,5974, p=0,0004) свидетельствует о восстановительных свойствах мембранного холестерина по отношению к фосфолипидам и подчеркивает значимость его для поддержания стабильности структуры эритроцитарных мембран, особенно у детей пришлого населения. Следовательно, и сама мембраносвязанная вода способствует стабилизации структуры эритроцитарных мембран на Севере. Наряду с косвенным признаком, указывающим на стабилизирующие свойства структурированной воды у детей коренного населения выявлено и прямое доказательство этого свойства воды в виде обратной корреляционной взаимосвязи между показателями повышенной гидратированности эритроцитарных мембран и содержанием в них лизофосфатидилхолина (r= − 0,3341, p= 0,0155). Следует подчеркнуть, что подобная взаимосвязь выявлена так же и у детей средних широт (r= −0,5851, p= 0,0003), но отсутствовала у детей пришлого населения Эвенкии. Вместе с этим, с помощью корреляционного анализа обнаружена взаимосвязь структурированной воды с показателем флуоресценции зонда АНС, которая свидетельствует об её участии в формировании электроотрицательно заряженных молекул поверхностной зоны эритроцитарных мембран. Данное свойство структурированной воды было характерным только для детей коренного населения Эвенкии (r= −0,4647, p=0,0004) и детей г. Красноярска (r=−0,5719, p=0,0004). Прямая корреляционная взаимосвязь между показателями флуоресценции зонда АНС и содержанием ЛФХ аналогично с предыдущей также была свойственна для детей эвенков (r= 0,3100, p=0,0253) и детей г. Красноярска (r= 0,6694, p<0,001). Это отражает тот факт, что ЛФХ способствует формированию положительных зарядов на поверхностных участках эритроцитарных мембран, что согласуется с данными литературы [2]. На этом основании мы подтверждаем данные литературы, что структурированная вода участвует в регуляции липидного обмена биомембран.

Заключение

Таким образом, наши исследования показали, что повышение содержания структурированной воды в эритроцитарных мембранах у всех детей школьного возраста является адаптивно-приспособительным механизмом к экстремальным условиям Севера. Повышение оводненности гидрофильно-гидрофобных зон фосфолипидов способствует уменьшению доли самих фосфолипидов и является адаптивным приспособлением, не связанным с деструктивными процессами. Это позволяет воде соединенной с фосфолипидами осуществлять регуляцию липидов в условиях повышения относительной подвижности в гидрофильной зоне фосфолипидов (повышение асимметрии текучестей). У детей пришлого населения факт регуляции структурированной водой липидного обмена не выявлен, что свидетельствует о начальном этапе адаптации к экстремальным условиям.