Биохимики раскрыли загадочный источник антиоксидантов у заложников углеводной диеты

Американские энтомологи выяснили, как бабочка табачный бражник (Manduca sexta) смогла защититься от окислительного стресса, который повреждает клеточную мембрану, ДНК и липиды и может привести к гибели клетки. Эти насекомые питаются исключительно нектаром, в котором мало антиоксидантов, помогающих предохранить компоненты клетки от окисления, но много углеводов, в частности глюкозы. При этом из-за высокой интенсивности полета окислительные процессы в мышцах бабочек проходят очень активно. Табачный бражник приспособился расщеплять глюкозу так, что в результате образуется НАДФ, необходимый компонент реакций, препятствующих окислению. Исследование опубликовано в Science.

Табачный бражник, подобно мушке-дрозофиле, используется в научных исследованиях как модельный организм. У этой бабочки короткий жизненный цикл (30-50 дней), ее легко содержать и размножать в неволе. M.sexta питается исключительно нектаром. Во время кормежки бражник не садится на цветок, а «зависает» над ним в воздухе, быстро двигая крыльями. «Зависание» — очень энергозатратный вид движения, скорость обмена веществ во время такого полета до 170 раз выше, чем в покое.

Усиленный метаболизм в мышцах крыльев во время полета приводит к образованию большого количества активных форм кислорода (ионов, свободных радикалов и перекисей), которые могут повреждать мышечные белки. Однако, хотя эти повреждения влияют на работу мышц, они не смертельны, а белки со временем могут восстанавливаться. Но когда активные молекулы кислорода атакуют липиды (жиры и жироподобные вещества) клеточной мембраны, может начаться цепная реакция, приводящая к образованию новых свободных радикалов. Они, в свою очередь, атакуют другие липиды, ДНК и РНК и белки в клетке, которая в результате  может погибнуть.

От окисления клетки защищают антиоксиданты, например витамины А или Е, которые многие животные получают с пищей. У бражников такой возможности практически нет, так как нектар богат углеводами, но не антиоксидантами. Поэтому бабочки вынуждены выходить из положения по-другому.

Одним из антиоксидантов, защищающих клетку от окисления, является глутатион, образующийся из некоторых аминокислот. Это вещество останавливает цепную реакцию, «отдавая» электроны свободным радикалам, и само переходит в окисленную форму. Обратно в активную форму, обладающую «лишними» электронами, глутатион переходит с помощью НАДФ (молекулы-донора электронов, участвующей в восстановительных реакциях). Большая часть НАДФ, в свою очередь, образуется в организме в ходе одного из путей окисления глюкозы — пентозофосфатного пути (ПФП). Кроме НАДФ и других веществ, в реакциях ПФП образуется углекислый газ.

Авторы новой работы изучали взрослых особей табачного бражника, чтобы выяснить, откуда бабочки получают антиоксиданты, необходимые при столь активном образе жизни, и которых недостаточно в нектаре. Сначала исследователи соорудили «летный тренажер» и помещали туда бражников; при этом половину бабочек во время трехдневного эксперимента кормили разведенным сахарным сиропом, а другую половину — нет.

Ученые выяснили, что накормленные бражники летают примерно на 70 процентов дальше, чем голодные. Очевидно, что при такой интенсивной нагрузке повреждения мышечных белков у «сытых» бабочек были выше. Но при этом клеточные мембраны у них были повреждены меньше, а количество активного глутатиона, способного препятствовать окислению, было выше, чем у голодных бабочек. То есть, как считают авторы работы, бражники, накормленные сахарным сиропом, «использовали» глюкозу, в том числе, для получения НАДФ, восстанавливающего антиоксидант.

Также авторы исследования измерили у бражников дыхательный коэффициент (ДК) — соотношение объемов выдыхаемого углекислого газа и вдыхаемого килорода, который используется для измерения скорости обмена веществ. Когда углеводы служат единственной пищей, дыхательный коэффициент должен равняться единице. Однако у табачных бражников он оказался гораздо выше — в среднем 1,4. Исследователи предположили, что высокое значение ДК объясняется тем, что в ходе реакций пентозофосфатного пути один из атомов углерода глюкозы превращается в углекислый газ и, таким образом, обеспечивает «избыток» углекислого газа.

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые пометили глюкозу радиоактивным углеродом ¹³C. Меченые атомы углерода находились либо на месте первого атома углерода глюкозы (С₁), который в ходе пентозофосфатного пути превращается в углекислый газ, либо на месте второго атома углерода (С₂), который, вместе с остатком молекулы превращается в другие углеводы. Затем исследователи накормили бражников сахарным сиропом, содержащим радиоактивную глюкозу, и стали измерять изменение дыхательного коэффициента и соотношение изотопов ¹³C /¹²C в выдыхаемом бабочками воздухе на отдыхе и во время полета.

Сначала исследователи наблюдали за бабочками, пообедавшими сиропом, с глюкозой, меченой в положении атома С_1. Оказалось, что во время «предполетной» подготовки, когда бражники начинали работать крыльями, количество радиоактивного углекислого газа, выдыхаемого бабочками, резко уменьшалось по сравнению с состоянием покоя. По мнению ученых, это свидетельствовало о том, что в этот момент активность реакции пентозофосфатного пути замедлялась, а глюкоза поступала в мышцы крыльев и окислялась там, чтобы бражники получили необходимую энергию для полета. При этом превратиться в углекислый газ мог любой атом глюкозы, так что бабочки выдыхали смесь меченых и немеченых молекул. Как только M.sexta давали отдохнуть, количество меченого углекислого газа в выдыхаемом воздухе снова возрастало, что свидетельствовало об активизации ПФП, в ходе которого углекислый газ вырабатывался только из радиоактивного атома углерода С₁.

Следующая серия экспериментов подтвердила этот вывод. Бражников кормили сиропом, в котором был помечен атом глюкозы С_2, и снова измеряли соотношение ¹³C /¹²C в выдыхаемом воздухе. Во время полетов бабочек количество радиоактивного углекислого газа, выдыхаемого бражниками, возрастало, что по словам исследователей, говорило об активных обменных процессах в мышцах, в результате которых в углекислый газ превращался, в том числе, радиоактивный С_2. Когда же бражников оставляли в покое, уровень радиоактивного углекислого газа падал. Это, как уже отмечалось выше, свидетельствовало об активизации пентозофосфатного пути и образовании углекислого газа из «холодного» на этот раз атома С_1.

В заключение исследователи отмечают, что, по-видимому, похожие процессы происходят у всех животных, питающихся нектаром, например у колибри или летучих мышей. На отдыхе у них активизируется пентозофосфатный путь, который позволяет уменьшить окислительный стресс, возникающий из-за интенсивных «зависающих» полетов.

Екатерина Русакова