Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

АДАПТАЦИОННО-ПРИСПОСОБИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕМБРАНОСВЯЗАННОЙ ВОДЫ У ДЕТЕЙ НА СЕВЕРЕ

Колодяжная Т.А. 1 Зайцева О.И. 1
1 ФГБУ «НИИ медицинских проблем Севера Сибирского отделения РАМН»
Проведено изучение липидной фосфолипидной структуры эритроцитарных мембран и их физико-химических свойств, среди которых определение уровня мембраносвязанной воды. Обследованы практически здоровые дети коренного и пришлого населения в возрасте от 8 до 12 лет, проживающие в Эвенкии и в г. Красноярске. С помощью корреляционного анализа было установлено, что повышение гидратированности фосфолипидов является адаптивно-приспособительным признаком.
Север
эритроцитарные мембраны
дети школьного возраста
структуросвязанная мембранная вода
1. Болдырев А.А, Кяйвяряйнен Е.И., Илюха В.А. Биомембранология: учеб. Пособие. – Петрозаводск: Изд-во Кар НЦ РАН. – 2006. – 226 с.
2. Добрецов Г.Е. Флуоресцентные зонды в исследовании клеток, мембран и липопротеидов. – М.: Наука. – 1989. – 277 с.
3. Зайцева О.И., Петрова И.А., Эверт Л.С., Колодяжная Т.А., Деревцова С.Н. Варианты реактивности мембран эритроцитов и их роль в прогнозе адаптации у детей мигрантов с Севера // Вестник новых медицинских технологий. – 2013. – Т. 20, № 2. – С. 69-72.
4. Крыницкая А.Ю., Суханов П.П, Седельников Ю.Е. Влияние КВЧ-излучения низкой интенсивности на структурно-динамическое состояние модельных биомембран [электронный ресурс] // Журнал радиоэлектроники. – 2011.– № 4: сайт. ‒ http://jre.cplire.ru/jre/apr11/6/abstract.html (дата обращения 19.04.2011).
5. Манчук В.Т., Надточий Л.А. Состояние и формирование здоровья малочисленных народов Севера и Сибири. – Красноярск.: ООО «Версо», 2008. – 179 с.
6. Нестерюк П. Г. Измерительно-вычислительный комплекс и методы исследований физико-химических параметров воды после воздействия физических полей: Автореф. ... дисс. канд. техн. наук. – Барнаул, 2012. – 20 с.
7. Панин Л.Е. Гомеостаз – системные представления // Молекулярные механизмы регуляции функции клетки: матер. междунар. симп. – Тюмень, 2005. – С. 91-94.
8. Ростовцев В.Н, Резник. Г.Е. Количественное определение липидных фракций плазмы крови // Лабораторное дело. – 1982. − № 4.– С. 26-29.
9 Трухан Э.М. Воздействие слабых магнитных полей на биологическую активность водной фазы // Компьютерные исследования и моделирование. – 2009.– Т. 1, № 1. – С. 101-108.
10. Moskalenko O.L., Pulikov A.S. qPovozrastny dynamics of physical development and adaptation opportunities of young men of Siberia // В сборнике: Applied and Fundamental Studies Proceedings of the 2nd International Academic Conference.

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 ‰)

Показатели

Дети эвенков

n=32

Дети пришлого населения n=39

Красноярск

n=35

Общие фосфолипиды,

ммоль/л

1,8075

(1,7145-1,9730)

1,7010

(1,6310-1,8910)

P2-3 =0,0244

2,0740

(1,8510-2,2620)

Р3-4<0,001

Холестерин,ммоль/л

3,3210

(3,1025-3,9780)

3,2650

(3,0330-3,5350)

4,3190

(3,2230-4,7850)

Р3-4=0,0003

ОФЛ/ХС, отн.ед.

0,5288

(0,4589-0,5880)

0,5297

(0,5019-0,5790)

0,5183

(0,4736-0,5867)

Свободные жирные кислоты, ммоль/л

0,7945

(0,5855-1,2640)

0,8120

(0,5100-1,2080)

0,3400

(0,1740-1,5170)

Фосфатидилхолин,

ммоль/л

0,8665

(0,8010-1,0110)

0,8010

(0,7740-0,8670)

P2-3 =0,0244

0,9990

(0,8660-1,2080)

Р3-4<0,001 

ФЭА, ммоль/л

0,4620

(0,4205-0,5320)

0,4380

(0,387-0,521)

0,5350

(0,4690-0,5990)

Р=0,0011

ФС+ФИ,

ммоль/л

0,1325

(0,1095-0,1520)

0,1540

(0,097-0,1480)

0,1650

(0,1240-0,4040)

Р=0,0011 

СМ, ммоль/л

0,2265

(0,1960-0,2680)

0,2290

(0,1740-0,2740)

0,1500

(0,0980-0,2250)

P3-4 =0,0003

ЛФХ, моль/л

0,0420

(0,0330-0,0600)

0,0350

(0,0260-0,0440)

P2-3 =0,0010

0,0390

(0,0090-0,0870)

ЛФХ/ФХ, отн.ед

0,0474

(0,0384-0,0640)

0,0416

(0,0345-0,0520)

P2-3 =0,0722

0,0275

(0,0098-0,0848)

Таблица 2

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

Показатели

Дети эвенков

n=32

Дети пришлого
населения

n=39

Дети г. Красноярска

n=35

Триптофаовые,

группы белков, мг/%

0,2700

(0,2400-0,3200)

0,2800

(0,2600-0,3000)

0,3650

0,3300-0,4000)

P3-4 < 0,001

Текучесть, отн.ед.

0,5065

(0,4090-0,5630)

0,4210

(0,3680-0,5970)

0,5330

(0,4510-0,6010)

P3-4 =0,0631

Флуоресценция АНС, ед.фл.

33,0000

(30,5000-36,0000)

33,0000

(31,0000-37,0000)

40,2000

(36,3000-57,0000)

P3-4 < 0,001

Гидратировон-ность, отн.ед (1/фл.ДМХ)

0,0200

(0,0174-0,0220)

0,0208

(0,0182-0,0230)

0,0130

(0,0108-0,0160)

P3-4 < 0,001

Подвижность, молекул триптофанилов, отн.ед

2,1622

(2,0576-2,3530)

2,3040

(2,1459-2,4330)

P2-3 =0,0465

1,8624

(1,6207-2,1739)

P3-4 < 0,001

Подвижность поверхностного слоя, отн.ед.

2,1622

(2,0576-2,3530)

2,3923

(2,2173-2,6810)

2,1693

(1,9569-2,4272)

P3-4 =0,0080

Асимметрия, текучестей, отн.ед.

4,9294

(4,1429-6,200)

6,2229

(4,1322-6,7220)

Р2-3 = 0,0173

4,2044

(3,6820-5,1723)

P3-4 < 0,001

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.


Библиографическая ссылка

Колодяжная Т.А., Зайцева О.И. АДАПТАЦИОННО-ПРИСПОСОБИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕМБРАНОСВЯЗАННОЙ ВОДЫ У ДЕТЕЙ НА СЕВЕРЕ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 5-1. – С. 54-57;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=5276 (дата обращения: 29.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674