Биохимики раскрыли загадочный источник антиоксидантов у заложников углеводной диеты

Табачный бражник (Manduca sexta)

John Curtis, British Entomology, 1840 / Wikimedia Commons

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 С1. 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 С2, 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 С2. 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 С1.

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




Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.