Молекулярные процессы в мозге при принудительной гипотермии

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение 

высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Э. З. Эмирбеков, М. Э. Пашаева, А. А. Эмирбекова

МоЛЕкУЛяРНЫЕ пРоцЕССЫ В МозгЕ 
пРИ пРИНУДИТЕЛЬНоЙ гИпоТЕРМИИ

Ростов-на-Дону

Издательство Южного федерального университета

2011

УДК 612.82
ББК 28.7
        Э55

 Печатается по решению редакционно-издательского совета

Южного федерального университета

Рецензенты:

доктор биологических наук, профессор, 
зав. кафедрой биохимии и биофизики 

Дагестанского государственного университета И. С. Мейланов;

доктор биологических наук, профессор, 

зав. кафедрой анатомии, физиологии, гистологии 

Дагестанского государственного университета М. М. Габибов;

доктор биологических наук, профессор, 

директор НИИ биологии ЮФУ Т. П. Шкурат

Монография подготовлена и издана в рамках национального проекта «Образование»

по «Программе развития федерального государственного образовательного учреждения 

высшего профессионального образования

“Южный федеральный университет” на 2007–2010 гг.»

Э55 Эмирбеков Э. з.
 
Молекулярные процессы в мозге при принудительной гипотермии / Э. З. Эмирбеков, 
М. Э. Паша ева, А. А. Эмирбекова. – Ростов н/Д: Издательство Южного федерального университета, 2011. – 122 с. – Ил.: 5. Табл.: 33.

ISBN 978-5-9275-0875-4

В монографии подытожены результаты исследований большого коллектива авторов ведущей 

научной школы по биохимии профессора Эмирбекова Э. З. по влиянию гипотермии на биохимические 
реакции в головном мозге млекопитающих. Материалы систематизированы и проанализированы 
в виде обзорных статей, а также оригинальных экспериментальных работ, выполненных сотрудниками 
в соавторстве, либо без соавторства руководителя научной школы (Львовой С. П., Кличхановым Н. К., 
Нурмагомедовой П. М., Мейлановым И. С., Эмирбековой А. А., Пашаевой М. Э., Шейховой Р. Г., 
Халиловым Р. А., Саидовым М. Б., Бекшоковым К. С. и др.).

В монографии приводятся экспериментальные данные по оригинальной постановке опытов. 

В книге представлена концепция патонейрохимии при гипотермии и дан анализ механизмов влияния 
протекторных веществ, создающих щадящие условия нарушений в нейрохимических процессах при 
охлаждении организма.

Монография представляет интерес для научных сотрудников – биохимиков, физиологов, экологов 

и врачей, аспирантов и студентов (по направлению биология) университетов и медицинских вузов.

Ил. – 5. Табл. – 33.

 
 
 
 
 
УДК 612.82

 
 
 
 
 
ББК 28.7

ISBN 978-5-9275-0875-4  
 
                 ©  Эмирбеков Э. З., Пашаева М. Э.,

Эмирбекова А. А., 2011

© Южный федеральный университет, 2011
©  Оформление. Макет. Издательство

Южного федерального университета, 2011

ВВЕДЕНИЕ

Чрезвычайная ситуация для теплокровного организма, ко торая возникает 

при его переохлаждении, также как и воздей ствие любого внешнего фактора, 
прежде всего сказывается на функции головного мозга. Изучение метаболизма 
мозга во вре мя развивающегося гипотермического состояния, при различной 
длительности и повторности, а также при выходе из него впол не соответствует 
задачам функциональной биохимии головного мозга [36], которые заклю чаются 
в выяснении связи между специфическими функциями нервной системы и особенностями химического строения и об мена вещества в ней.

Следует отметить, что хотя обмен веществ при охлаждении животного 

орга низма издавна является предметом физиологических и биохими ческих 
исследований, состояние метаболизма в мозговой ткани при гипотермии до 
сих пор мало изучено. Ученые при изучении метаболизма гипотермических состояний уделяли прежде всего углеводно-фосфорному обмену [1–4].

Интерес диктовался тем, что углеводно-фосфорный обмен является главным 

источником генерирования энергии для дея тельности клеток и претерпевает 
наибольшие изменения при гипотермии. По сравнению с другими тканями 
головной мозг отличается значительно большим поглощением кислорода и высокой чувствительностью к его недостатку [4, 7, 16, 24, 34, 38, 43, 45]. Многие 
авторы указывают, что в основе патогенеза общего охлаждения лежит противоречие, конфликт между кислородным запросом и условиями удовлетворения при 
снижении температу ры тела. Установлено, что уже в начальный период охлаждения животного (до 27 °С) окислительные процессы в мозговой ткани значительно снижаются и удерживаются на низ ком уровне на всех этапах охлаждения. 
Потребление кислорода мозгом прямо пропорционально температуре тела [93].

При снижении температуры тела животного значительные изменения воз
никают и в белковом обмене головного мозга.

Г. Е. Владимиров [2] обнаружил чрезвычайно рез кое снижение интенсив
ности аминокислотного обмена (на при мере глицина, метионина и тирозина). 
Так, скорость обновле ния тирозина в белках мозга при температуре тела 20 °С 
сни жается почти в 20 раз по сравнению с нормотермией.

Физическое охлаждение кроликов (на 8,4 °С) также сопро вождается значи
тельным снижением (18 %) интенсивности об новления белков серого вещества 

Молекулярные процессы в мозге при принудительной гипотермии

больших полушарий мозга. Об интенсивности обновления белков автор судил 
по включению метионина-S35 через 3,5–4 часа после вве дения его под кожу.

А. С. Коникова и др. [24] установили, что при гипотермии, по лученной 

фармакологическими средствами и искусственным ох лаждением льдом, почти 
во всех тканях организма, в том числе и в центральной нервной системе снижается интенсивность син теза белков. По результатам исследований М. П. Явич 
[63], при искусствен ном снижении температуры тела до 24–23 °С обновление 
белков мозга снижается (в 4 раза), в то время как наркотическое торможение 
на этот процесс не оказывает существенного влия ния.

Литературные материалы свидетельствуют о том, что при гипотермии 

обновление веществ, входящих в структурные обра зования клеток (например, 
белки), тормозится несравненно рез че, чем обновление веществ, имеющих 
энергетическое значение.

Значительное понижение процессов распада и синтеза бел ка обусловливает 

возможность сохранения белковых структур в условиях недостатка энергии, 
в частности, при кислородном го лодании [39].

Не останавливаясь подробно на различных видах обмена мозга при гипо
термии, описанных в литературе, можно сказать, что и в центральной нервной 
системе животного при ох лаждении происходят значительные биохимические 
изменения. Однако эти изменения не всегда достаточно ярко выражены и в 
большинстве случаев не объясняют полностью механизма рас стройств деятельности центральной нервной системы при охлаж дении организма.

Определением прижизненного содержания в нервной ткани продуктов 

белкового метаболизма, а также изучением неразрыв но связанного с белками 
обмена аммиака, глутаминовой кислоты, глутамина и т. д. можно судить о состоянии белковых ве ществ. Содержание в белках амидных и других функциональных групп характеризует их физико-химические свойства.

В этом отношении, на наш взгляд, особого внимания за служивает изучение 

изменения важнейшей системы мозга – сис темы освобождения и связывания 
аммиака при гипотермии на различных этапах, при различной длительности 
и многократно сти ее. Изучение динамики аммиака в мозговой ткани – «прекрасного биохимического индикатора функционального состояния мозга» – 
весьма важно для выяснения хода биохимических процессов, протекающих 
в мозге при снижении температуры тела.

В последние годы внимание исследователей все больше привлекает азоти
стый обмен в мозге. Исходя из эволюционной роли аммиака и лабильных аммиакобразующих соединений, ис следование их динамики важно для познания 
функциональной биохимии органа.

При изучении состава и обмена веществ в мозге в момент определенного 

функционального состояния, особенно обмена лабильных соединений, очень 

Введение
5

большое значение имеет способ умерщвления и фиксирования процессов обмена 
в мозге живот ного. В конце 40-х годов 20 столетия как отечественными, так и зарубежными учеными было показано, что замораживание тканей мозга, как любого 
другого органа, жидким воздухом (–180 °С) приводит к исключению посмертных 
изменений и выявляет истинное содержание таких лабильных компонентов, как 
аммиак и макроэргические фосфаты. Дело в том, что замораживание полностью 
останавливает ферментативные процессы. Было обнаружено, что в мозге целиком 
замороженных крыс содержание свободного аммиака составляет 0,28–43 мг %. 
Обзор таких работ приведен в монографии Э. З. Эмирбекова [51].

В лаборатории Г. Е. Владимирова [2] сконструировали специальную ка
меру для мгновенного погружения животного в жидкий кислород и определяли содержание аммиака в мозге крыс в среднем 0,36 мг %. А в лаборатории 
З. С. Гершеновича [10] в мозге цели ком замороженных крыс обнаружили 
0,3 мг % (0,12–0,68) свободного аммиака (среднее из 60 определений).

Всякое воздействие на организм, а также патологические процес сы, сопро
вождающиеся нарушением деятельности центральной нервной системы, приводят к изменению содержания аммиака в мозге.

Серия экспериментов демонстрировала факт о том, что в головном мозге в со
стоянии возбужде ния увеличивается содержание аммиака, а в покое и при введении тормозящих веществ (бромистого натрия и уретана) со держание аммиака 
уменьшается. Таким образом, было установлено, что аммиак является показателем фун кциональной деятельности центральной нервной системы. Нор мальная 
деятельность мозга, т. е. процессы условного и безу словного возбуждения и торможения, всегда сопровождается изменением количества аммиака в мозге.

Увеличение содержания аммиака при возбуждении и устра нении при 

торможении, при воздействии фармакологических ве ществ было подтверждено и другими авторами [51]. Большое значение аммиака в обмене веществ 
головного моз га доказывается и тем, что многие экстремальные состояния сопровождаются увеличением продукции аммиака и замедлени ем его устранения 
в мозге. Явление шока, вызванное электриче ским раздражением, действие импульсных ускорений, интоксикация кислородом, а также рядом веществ приводят к увеличению содержания аммиака в головном мозге животного в 5–15 раз. 
Следовательно, осуществление функций нервной системы происходит благодаря быстро протекающим регуляторным биохимическим реакциям.

Особую роль аммиака в процессах нервной деятельности можно понять, 

по-видимому, из следующего: реакции, в которых он участвует, многообразны; 
аммиак сыграл важную роль в становлении обмена веществ. Молекула аммиака 
имеет форму треугольной пирамиды с атомом азота на вершине. Она характеризуется значительной полярностью благодаря сильному сме щению электронов связи N–Н от водорода к азоту. Поэтому аммиак более чем другие газы 

Молекулярные процессы в мозге при принудительной гипотермии

растворим в воде. При 20 °С в од ном объеме воды растворяется 700 объемов, 
при 0–1200 объе мов аммиака. Для биологических процессов важное значение 
имеет его большая растворимость и проницаемость через мем браны. Все это 
определило роль аммиака в осуществлении ряда биохимических процессов 
в ходе эволюционного развития живого.

Благодаря своим свойствам, на ранних этапах развития жиз ни в во
дной среде (первичном бульоне) аммиак, в зависимости от концентрации, 
диффундировал из среды в предбиологические системы, а впоследствии 
участвовал в синтезе сложных азотсодержащих веществ и регуляции внутриклеточных процессов. У многих современных пресноводных организмов аммиак яв ляется конечным продуктом азотистого обмена, свободно 
пере мещаясь из организма в окружающую водную среду. Так, ко стистые 
пресноводные рыбы выделяют главным образом аммиак и незначительное 
количество мочевины.

Благодаря легкости взаимодействия с карбоксильными груп пами белков, 

он несомненно является модификатором и регуля тором физико-химических, 
а следовательно, физиологических свойств белков.

В процессе эволюции живого у подавляющего большинства видов прекра
тилась свободная диффузия аммиака во внешнюю среду и возникли механизмы, резервирующие и регулирующие его уровень в тканях.

Изменение уровня аммиака в мозге происходит с большой, можно сказать, 

«взрывной» скоростью. Спустя 1 сек после обезглавливания животного содержание аммиака в мозговой ткани возрастает до 0,47 мг % (против 0,28 мг % 
в норме); при мерно такое же увеличение содержания его наблюдается при 
электрическом раздражении мозга в течение 1 сек. Возможности образования аммиака в головном мозге весьма велики, что находится в известном 
противоречии с постоянством содержания его в мозговой ткани в норме in vivo. 
Концентрация аммиака в мозге каким-то путем регулируется.

Изолированный спинной мозг лягушки не отвеча ет повышенным об
разованием аммиака при раздражении электри ческим током. Это явление 
объясняется тем, что, по-видимому, в цен тральной нервной системе аммиак 
связывается.

Реальное существование механизма связывания аммиака в ткани мозга 

в последующем было доказано экспериментально. Оказалось, что срезы мозговой ткани in vitro в аэробных условиях и при наличии в среде глюкозы могут 
из аммиака и глутаминовой кислоты синтезиро вать глутамин. Из мозга был 
выделен энзим, катализирующий синтез глутамина из аммиака и глута мата 
с использованием энергии АТФ.

Однако после плавания в мозге крыс концентрация аммиака не повыша
ется. Следовательно, можно думать, что аммиак, который выделяется во время 

Введение
7

функциональной активности нервной клетки, связывается с глу таминовой 
кислотой, которая содержится в мозге в больших кон центрациях.

Нервная ткань в организме выполняет особые функции. Она первая реа
гирует и отвечает за максимально короткий срок на многочисленные внешние 
воздействия. Информация, которая по ступает в головной мозг, перерабатывается в итоге в системы химических реакций. Эта переработка, реализация 
и хранение информации осуществляются превращениями биоорганического 
субстрата. Во всех разнообразных процессах и явлениях живого есть, повидимому, общая основа: главный химический субстрат и источник энергии. 
В на стоящее время есть достаточные основания считать, что мате риальной 
основой нервных процессов являются белковые вещества. Первичным рецептором в мозге являются белковые молекулы с их разнообразием свойств и исключительной физи ческой и химической подвижностью, определяющие все 
стороны жизнедеятельности нервной клетки.

И в нервной ткани следует ожидать наличие быстро и сложно действующих 

механизмов освобождения и связывания аммиака. Механизмы эти должны отвечать многим жестким условиям: быть чрезвычайно лабильными, в известной 
степени независимы ми от других химических реакций в мозге и, что может 
быть наиболее важно, взаимозаменяемыми.

Уровень современных знаний позволяет предположить, что весь ход про
межуточного азотистого обмена (оставляя в стороне некоторые специальные 
аспекты и синтез белка) направлен на то, чтобы регулировать содержание аммиака в клетке на уровне, необходимом для сообщения белкам определенных физикохимических свойств, соответствующих данному функцио нальному состоянию.

В ткани мозга также следует ожидать наличие соединений, стоящих на 

стыке путей метаболизма. Наличие «стыковых» ве ществ упрощает способ переработки информации и унифицирует метаболический ответ на разного рода 
воздействия среды. В системе переработки информации действуют обратные 
связи, регулирующие скорость и направление пути системы. Такими свойствами обладает система глутамат – γ-аминомасляная кис лота и сопряженные с ней 
превращения. Последняя, кроме того, как будет показано ниже, является одним 
из фрагментов систе мы освобождения и связывания аммиака в мозге.

Сравнительные исследования обнаружили сходные чер ты азотистого мета
болизма мозга у некоторых групп микро организмов. Только в мозговой ткани 
различных представителей животного мира [51] и у некоторых микроорганизмов обнаружены высокие концентрации γ-аминомасляной кислоты и, соответственно, спе цифически активная декарбоксилаза глутаминовой кислоты.

Только микроорганизмы и мозг содержат больше глу таминовой кислоты, 

чем прочие организмы и другие ткани живот ных [51]. Обнаружено, что метаболизм ионов аммония у дрожжей у Bacillus brevis и в мозгу контролируется НАД, 

Молекулярные процессы в мозге при принудительной гипотермии

и НАДФ-зависимыми глутаматдегидрогеназами. Кроме того, специфическим 
субстратом для нервной ткани и микробной клетки является ацетил-аспарагиновая кислота. Все это несомненно связано с особен ной направленностью 
азотистого обмена.

Одноклеточные организмы обладают определенной автоном ностью. Они 

самостоятельно реагируют на все воздействия внеш ней среды. Такую же роль 
выполняет нервная система в много клеточном организме. Отсюда и сходство 
метаболизма нейрона и одноклеточного организма.

Имеющиеся литературные сведения свидетельствуют о некоторой об
щности механизма аммиакообразования в различных тканях и органах. Однако 
наряду с этим существуют указания на то, что даже в одном органе – головном 
мозге – наблюдаются отличия в самом механизме процесса (а не только в его 
интен сивности), зависящие от состояния объекта и рода воздействия. Система 
освобождения и связывания аммиака в головном мозге коррелируется с метаболическими процессами, в которых участвуют многие азотистые соединения. 
Обмен аммиака выражает суммарный эффект циклических, обратимых реакций, где начало одновре менно является концом процесса [23].

Основные механизмы метаболизма аммиака состоят из систе мы: дикарбо
новые аминокислоты, аммиак, амиды амино кислот, межмолекулярный перенос 
его радикала и реакции син теза мочевины.

При анализе литературных материалов выяснено, что глав ными потенци
альными источниками аммиака в головном мозге являются: адениловая система, система глутамин – глутаминовая кислота и амидные группы белков.

Анализ литературных материалов в работе Э. З. Эмирбекова [51] показыва
ет, что в мышечной ткани источником аммиака является адениловая система. 
Присутствие адениловой кислоты в мозго вой ткани свидетельствует, что освобождение аммиака в мозге in vitro также происходит из адениловой системы. 
Адениловая кислота не является единственным источ ником аммиака в мозге: 
в срезах мозга и в цельном мозге прирост аммиака не покрывается дезаминированием адениловой системы. Ссылаясь на эти данные и на то, что в мозге активность дезаминазы адени ловой кислоты низка по сравнению с другими органами, 
можно предположить, что возможность образования аммиака из адениловой 
кислоты вo время функциональной ак тивности нервной ткани исключается.

П. А. Кометиани [23] в новом аспекте устанавливает участие аде ниловой 

системы в продукции аммиака в мозге. Адениловая кис лота в нервной ткани 
может аминироваться за счет аминных групп глутаминовой и γ-аминомасляной 
кислот. Эти аминокислоты передают аминную группу кетокислоте, и образуется аспарагиновая кислота, которая принимает участие в ресинтезе аденило вой 
системы. Адениловая система в данном слу чае играет роль насоса, перекачивающего аминную группу ами нокислот на аммиак.

Введение
9

Многочисленными исследованиями как отечественных, так и зарубежных 

авторов показано, что с обменом аммиака в мозге теснейшим образом связана 
система глутаминовая кислота – глутамин.

Анализ источников литературы, приведенных в работе [51], позволяет пред
положить образование аммиака в мозге из глутамина. В опытах на це лостном организме было показано уменьшение глутамина в мозге в первые секунды условнорефлекторного, безусловнорефлекторного и медикаментозного возбуждения. 
При рост аммиака в мозговой ткани сопровождается уменьшением содержания 
глутамина при кислородной интоксикации, при гипотермии, при умирании от 
кровопотери, при действии на организм импульсных ускорений и т. д.

По количественному содержанию глутамина мозг стоит на первом месте 

среди других органов животного. Образование аммиака из глутамина в мозговой ткани дока зано многими работами.

Освобождение аммиака из глутамина осуществляется двумя путями. 

Первый путь прямого гидролитического отщепления ам миака от глутамина 
в ткани мозга был открыт Кребсом и катализируется ферментом глутаминаза. 
Впоследствии были изучены свойства фермента, названного глутаминазой- I. 
Она активируется ионами фосфата, в меньшей сте пени– арсенатом и сульфатом. Глутаминовая кислота пол ностью угнетает данную реакцию в мозге, 
а также в сетчатке глаза, селезенке, но не в печени. Оптимум действия глутаминазы мозга рH 8–9. На основании этого можно сделать вывод, что объем 
дезамидирования глутамина с участием глутаминазы-I невелик и она не играет 
существенной роли в освобождении аммиака и мозге.

По-видимому, главным путем освобождения аммиака в ткани мозга из 

глутамина является путь, катализируемый фермен том – глутаминазой-II. 
Глутаминаза-II активи руется пируватом и другими кетокислотами.

Реакция сочетанного трансаминирования-дезамидирования глутамина 

является необратимой и наиболее характерной для ткани мозга.

Распад аспарагина, хотя и обнаружен в нервной ткани, но практически не 

может играть заметной роли, во-первых, из-за низкой активности аспарагиназы, а во-вторых, из-за малого содержания аспарагина.

Ряд исследователей [51] в качестве возможного источника ам миака в голов
ном мозге считают глутаминовую кислоту. Из всех аминокислот только глутамат 
интенсивно окисляется нервной тканью. Больше 50 % поглощенного сре зами 
коры мозга кислорода расходуется на окисление глуминовой кислоты. Было установлено наличие в мозге дегидрогеназы глутаминовой кислоты (КФ 1.4.1.2).

Действие глутаминодегидрогеназы при нормальном клеточ ном окисли
тельно-восстановительном потенциале смещено в сторону синтеза глутамата, 
а не освобождения аммиака (при рH 7,4 окисляется только 1,4 % глутаминовой 
кислоты). Ско рость реакции составляет 400 мкмоль/час. Равновесие реакции 

Молекулярные процессы в мозге при принудительной гипотермии

устанавливается лишь при наличие ионов аммония. Следова тельно, аммиак 
регулирует ход окисления глутаминовой кисло ты. Здесь ясно проявляется 
тесная связь обмена аммиака с окислительными превращениями глюкозы, как 
источника α-кетоглутаровой кислоты – предшественника глутамина.

Наиболее важной стороной функции глутаматдегидрогеназы является под
держание определенного уровня аммиака в мозге.

Расчеты показывают, что окисление глутаминовой кислоты в срезах мозга 

не соответствует освобождению свободного аммиака. По-видимому, затраты 
глутаминовой кислоты в гомогенатах мозга обусловлены реакциями трансаминирования и дезкарбоксилирования, и поэтому ряд авторов считают, что 
глутаминовая кислота не может играть роль источника свободного аммиака. 
«Аминная группа глутаминовой кислоты может освободиться в виде аммиака 
через глутамин» [23].

Можно думать, что, глу тамат не может играть роль источника образования 

аммиака при его функциональной деятельности.

Литературные материалы позволяют предложить, что глутамат и его беза
зотистый предшественник α-кетоглутарат занимают центральное место в азотистом метаболизме мозга. Эти соединения создают возможность многократного, экономного использования аммиака. Превращение всех других аминокислот 
проходит в сопряжении с реакциями дезаминирования и трансаминирования 
глутаминовой кислоты. Их называют реакциями трансдезаминированиятрансреаминирования.

В мозге эти реакции имеют первостепенное значение в про цессах устране
ния аммиака: аминогруппа глутамата переносится на кетокислоты, давая начало новым аминокислотам и осво бождая α-кетоглутаровую кислоту для новых 
взаимодействий со свободным аммиаком.

Другой механизм связывания аммиака также происходит с участием глута
миновой кислоты. γ-карбоксил глутамат амидируется с образованием глутамина. Реакция синтеза глутамина катализируется ферментом глутаминсинтетазой 
(КФ 6. 3. I. 2.). Как и другие реакции метаболизма глутамата, реакция синтеза 
глутамина наиболее интенсивно проходит в мозге млекопитающих. Реакция эта 
является эндотермической и идет стехиометрическию.

В последние годы выяснено, что в устранении аммиака в мозговой ткани 

участвует γ-аминомасляная кислота, которая образуется декарбоксилированием глутаминовой кислоты. Добавление γ-аминомасляной кислоты к срезам 
мозга крысы при рH 7,4 приводит к статистически достоверному меньшему 
накоплению аммиака по сравнению с контрольными пробами.

В работе [51] подвергаются обзору литературные материалы об участии в 

системе освобождения системы освобождения и связывания аммиака в мозге γ-аминомасляной кислоты. γ-аминомасляная кислота усиливает с одной