Степень сродства гемоглобина к кислороду у рыб
Согласно современным представлениям степень сродства гемоглобина к кислороду определяется многими факторами и прежде всего величиной рН и температурой. Повышение концентрации водородных ионов, ведущее к снижению величины рН, вызывает снижение сродства гемоглобина к кислороду, т. е. к увеличению Р50 крови (эффект Бора).
Физиологический смысл эффекта Бора состоит, по-видимому, в том, что он содействует более полной быстрой отдаче гемоглобином кислорода при различных функциональных нагрузках на организм, когда интенсивно дышащие ткани нуждаются в повышенном количестве кислорода. Вполне понятно, что у высокоактивных рыб способность гемоглобина отдавать связанный кислород тканям против крутого концентрационного градиента 02 должна быть выше, чем у малоактивных рыб. Однако повышенная чувствительность гемоглобина высокоактивных рыб к отрицательной модуляции ионами водорода имеет и свою негативную сторону. В результате резкого метаболического ацилоза, нередко возникающего при длительной напряженной работе или кратковременном, но сильном стрессе, выраженный эффект Бора может угнетать связывание кислорода гемоглобином в жабрах, т. е. вызывать гипоксию при достаточном содержании 02 в окружающей среде. Пути биохимической адаптации активных рыб в этой ситуации мы рассмотрим несколько позже.
Рисунок. 19. Корреляция между показателями гемоглобина крови и показателями внешнего дыхания:
а — между величиной Р95 крови и Ркрит; б — между величиной Р50 крови и Рпор
Температура — другой экологически значимый фактор, оказывающий влияние на степень сродства гемоглобина рыб к кислороду.
Повышение температуры снижает сродство гемоглобина к кислороду, т. е. увеличивает Рso крови. Это один из ярких примеров неадаптивных изменений, поскольку оно усложняет задачу обеспечения кислородного запроса организма, увеличивающегося при повышении уровня метаболизма. К тому же содержание кислорода в окружающей среде с повышением температуры, как правило, снижается. Тем не менее и в этой ситуации в организме развиваются физиолого-биохимические изменения, позволяющие быстро компенсировать неблагоприятное воздействие повышенной температуры на транспорт кислорода к активно дышащим тканям. С одной стороны, это уже рассмотренные нами увеличение объема вентиляции и кровообращения и повышение кислородной емкости крови за счет увеличения количества циркулирующего гемоглобина. С другой — изменение степени сродства гемоглобина к кислороду, зависимость которого от температуры оказалась значительно сложнее, чем этого можно было ожидать исходя из общего правила о снижении сродства гемоглобина к кислороду при повышении температуры.
Из представленных на рисунке 20 экспериментальных данных следует, что такие разные по экологии виды рыб, как малоподвижный японский угорь и высокоактивный голубой тунец, имеют гемоглобин, сродство которого к кислороду претерпевает незначительные изменения при довольно существенном повышении температуры. Независимость сродства гемоглобина к кислороду у такого высокоактивного пловца, каким является тунец, носит явно адаптивный характер, поскольку насыщенная кислородом и охлажденная кровь, идущая от жабр, должна проходить сквозь противоточные теплообменные системы прежде, чем дойдет до тканей. В этом случае подогрев крови в теплообменнике приводит к преждевременной "разгрузке" гемоглобина, т. е. потере кислорода до того, как он дойдет до тканей. Кроме того, это может вызвать перенасыщение плазмы кислородом и возникновение пузырьковой эмболии. Труднее понять относительную независимость сродства гемоглобина к кислороду у такого малоподвижного вида, каким является японский угорь. Правда, эта донная рыба живет в сравнительно бедной кислородом среде, и повышение температуры воды может еще более снизить содержание кислорода, поскольку количество растворенного в воде кислорода обратно пропорционально температуре воды.
Еще один пример адаптивного изменения функции гемоглобина при повышении температуры обнаружен Г. Григгом при тепловой акклимации американского сомика Ictalurus nebulosus.
Вопреки ожиданию в этих условиях сродство гемоглобина к кислороду не понизилось, а повысилось. Специальный анализ молекулярного механизма этого эффекта вскрыл очень интересный факт. Повышение сродства гемоглобина к кислороду при тепловой акклимации проявлялось только в том случае, если гемоглобин находился в интактных эритроцитах. Если же гемоглобин извлекали из эритроцитов рыб, акклимированных к теплу или холоду, и получали кривые насыщения для растворов Нь, то никаких различий Р50 не выявилось. Следовательно, речь идет о каких-то биохимических изменениях внутриэритроцитарной среды, в которой функционирует гемоглобин. Об этом же свидетельствуют и результаты сравнительного электрофоретического изучения фракционного состава гемоглобина рыб, акклимированных к теплу и холоду. У обеих групп рыб гемоглобин был представлен 7 компонентами с примерно одинаковым относительным содержанием белка, приходящегося на каждый компонент гемоглобинограмм рыб, акклимированных к повышенным и пониженным температурам. Следовательно, в данном случае, речь идет о модуляционной стратегии адаптации, т. е. об изменении сродства гемоглобина к кислороду с помощью модуляторов. К ним относятся низкомолекулярные вещества — группа органических фосфатов. В эритроцитах млекопитающих, например, это 2,3-дифосфоглицерат (2,3-ДФГ), играющий роль "отрицательного модулятора" функции гемоглобина. Увеличение концентрации ДФГ снижает сродство Нь к 02, а снижение — повышает. В эритроцитах птиц и рептилий дифосфоглицерат отсутствует, но имеется инозитгексафосфат (ИГФ), под влиянием которого также изменяется сродство Иь к 02. Что касается рыб, то у них роль ключевого органофосфатного модулятора играет аденозинтрифосфат (АТФ).
Рисунок. 20. Зависимость от температуры гемоглобина различных по экологии видов рыб:
1 — Trematomus borchgrevinki; 2 — Trematomus bernacchii; 3 — голец; 4 — голубой тунец; 5 — Anguilla japonica
Кроме того, есть сведения, что и некоторые другие органофосфаты (гунаозинтрифосфат - ГТФ, инозиттрифосфат — ИТФ) могут изменять сродство гемоглобина рыб к кислороду. У рыб, адаптированных к пониженному содержанию кислорода, снижается содержание органических фосфатов, а сродство гемоглобина к кислороду возрастает.
В свете этих данных становится более ясным адаптивный смысл изменения уровня фосфоремии у рыб в условиях экзогенной или эндогенной гипоксии.
Напомним, что еще в работах Ф. Холла и его сотрудников было отмечено, что под влиянием гипоксии у сельди менхэден (Brevoortia tyrannus) повышается содержание фосфора почти на 70% (с 11,1 до 18,8%). Увеличение содержания в крови неорганического фосфора на 58% обнаружено у форели при повышенной двигательной нагрузке. Обстоятельное изучение уровня фосфоремии при гипоксии выполнено на угре. Содержание АТФ в цельной крови снижается почти на 70%, а органического фосфора — на 16%. В противоположность этому количество неорганического фосфора увеличивается в крови на 126%. Одной из причин сильного увеличения содержания неорганического фосфора в крови может быть усиленный гидролиз органических фосфатов эритроцитов рыб и прежде всего АТФ. Следует иметь в виду, что у рыб при гипоксии, вызванной двигательной нагрузкой, усиленный гидролиз АТФ имеет место и в мышцах. В данном случае, однако, можно подчеркнуть, что усиленное использование макроэргических связей АТФ при гипоксии и других стрессовых ситуациях ведет к снижению его содержания в крови, что, в свою очередь, приводит к повышению сродства гемоглобина к кислороду. Этот механизм биохимической адаптации рыб к гипоксии на молекулярном уровне высокоэффективен только при внезапном и более или менее непродолжительном снижении содержания кислорода в среде.
При длительных, например сезонных, изменениях содержания кислорода в воде, при смене среды обитания (у проходных рыб) или, наконец, при необходимости приспособления к жизни в водоемах с пониженным содержанием кислорода механизмы количественной и модуляционной стратегии адаптации отходят на задний план. Ведущее значение приобретают механизмы стратегии качественной адаптации, т. е. синтез новых вариантов молекул гемоглобина с иными функциональными свойствами, обеспечивающими его оптимальную работу в новых условиях. Плодотворное изучение этого вопроса стало возможным с открытием электрофоретической гетерогенности гемоглобина у разных по экологии групп рыб в конце 50-х — начале 60-х годов. Она определяется особенностями первичной структуры отдельных компонентов этого, считавшегося ранее гомогенным, дыхательного белка. Принципиальное значение имели работы К. Хашимото и Ф. Матсууры, которые методом электрофореза на бумаге разделили гемоглобин анадромной кеты и катадромного японского угря на 2 компонента и всесторонне изучили функциональные свойства каждого из двух компонентов. Оказалось, что первый, более подвижный компонент гемоглобина обладает многими свойствами, характерными для гемоглобина морских рыб: сравнительно низкое сродство к кислороду, термолабильность, значительный эффект Бора, малая устойчивость к щелочам. Второй, более медленный компонент гемоглобина по всем исследованным параметрам был сходен с гемоглобином пресноводных рыб: высокое сродство к кислороду, незначительный эффект Бора или его полное отсутствие, термостабильность, высокая устойчивость к щелочам. При этом следует иметь в виду, конечно, что речь идет о различиях функциональных свойств гемоглобина у морских и пресноводных рыб примерно одинаковой подвижности, поскольку малоактивные рыбы обеих экологических групп имеют гемоглобин, более похожий на "пресноводный" тип, а высокоподвижные — на "морской" тип.
В морской период жизни у проходной кеты количественно доминирует быстрый компонент гемоглобина, а при переходе во время нерестовой миграции в реки резко увеличивается содержание медленного компонента и он уже преобладает над быстрым. У катадромного угря в речной период жизни преобладает медленный, а в морской период быстрый компонент гемоглобина. На основе этих данных авторы приходят к выводу, что быстрый компонент гемоглобина у проходных рыб функционирует преиму щественно в морской воде, а медленный — в пресной.
В дальнейшем использование более совершенного метода электрофоретического анализа — диск-электрофореза в полиакриламидном геле (ПААГ) позволило нам внести значительные коррективы в сложившиеся ранее представления о степени гетерогенности гемоглобина у разных по высоте организации и экологии групп рыб. Оказалось, что множественность гемоглобина у такой, например, разнообразной в экологическом плане группы рыб, как осетровые, значительно выше, чем это следовало из данных (всего 2 компонента) электрофореза на бумаге. Методом электрофореза в ПААГ гемоглобин различных видов осетровых рыб удается разделить на 5 — 9 и даже 11 компонентов. При этом выявлены видоспецифичность фракционного состава и его экологические особенности, в том числе "пресноводный", "морской" и "переходные" типы фракционного состава гемоглобина.
Специальные исследования показали, что длительное (до 6 лет) выдерживание проходных видов осетровых (белуга, русский осетр, севрюга) в пресной воде не оказывает сколь-нибудь выраженного влияния на особенности фракционного состава гемоглобина ни по числу компонентов, ни по относительному содержанию белка, приходящегося на отдельные компоненты.
Особый интерес, на наш взгляд, представляет то обстоятельство, что при переходе проходных осетровых из морской воды в пресную во время нерестовых миграций фракционный состав гемоглобина не претерпевает сколь-нибудь значительных изменений.
В этом их принципиальное отличие от проходных костистых рыб, у которых происходит резкое изменение в количественном соотношении отдельных фракций гемоглобина. Иными словами, у осетровых принципиально иная стратегия биохимической адаптации к различным условиям функционирования гемоглобина. Исторически сложившийся и закрепленный стабилизирующим отбором фракционный состав гемоглобина осетровых рыб обладает значительным запасом "экологической надежности". Он обеспечивает кислородные потребности и нормальную жизнедеятельность рыб в экологически разных средах с характерными для них колебаниями парциального напряжения кислорода, величины рН, температуры и солености, которые оказывают существенное влияние на сродство гемоглобина к кислороду в целом и отдельных его форм, а в конечном счете и на кислородную емкость крови.
Высокая структурная и сопутствующая ей функциональная гетерогенность гемоглобина рыб являются одними из важнейших биохимических механизмов широкой адаптации к разнообразному спектру меняющихся факторов как внутренней, так и внешней среды. Наличие в организме сложного, многокомпонентного гемоглобина, каждый из которых имеет свои оптимальные условия функционирования, увеличивает его реактивную способность к присоединению и отдаче кислорода, т. е. содействует в конечном счете оптимальному обеспечению организма кислородом при разных физиологических и постоянно меняющихся экологических условиях.
Экспериментальная разработка этого вопроса только начинается, однако имеющиеся немногочисленные данные подтверждают справедливость высказанной точки зрения.
Так, например, для гемоглобина высокоактивных рыб характерен сильновыраженный эффект Бора, способствующий более полной отдаче кислорода активно дышащим тканям. Однако в условиях напряженной мышечной работы в кровь поступают чрезвычайно высокие концентрации лактата, что может привести и в ряде случаев приводит к катастрофическому снижению сродства гемоглобина к кислороду, вследствие чего его зарядка кислородом в жабрах становится невозможной даже при нормальном напряжении 02 в воде, и рыбы погибают от удушья. Специальные исследования показали, что у некоторых чрезвычайно активных рыб имеются варианты гемоглобина, не проявляющие эффекта Бора. Их удельный вес невелик, однако они могут служить важным "аварийным резервом" в снабжении организма кислородом в условиях метаболического ацидоза. Не приходится сомневаться в том, что различные компоненты множественного гемоглобина рыб различаются между собой не только по степени чувствительности к Н+ и выраженности эффекта Бора, но и по сродству гемоглобина к кислороду, зависимости этого сродства от температурного и ряда других факторов. Работы в этом плане продолжаются, но уже сегодня имеется большой экспериментальный материал, однозначно свидетельствующий о том, что гемоглобину принадлежит важнейшая роль в адаптации к гипоксии путем повышения эффективности связывания и отдачи кислорода.
