Экология моря, 2002, вып.60, стр.16-20

Н. М. Б Е Р Е Г О В А Я

ВЛИЯНИЕ ГИПОКСИИ НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ЭЛЕМЕНТЫ УГЛЕВОДНОГО ОБМЕНА НЕКОТОРЫХ ГИДРОБИОНТОВ-ОБРАСТАТЕЛЕЙ

Изучено влияние гипоксии на химический состав и элементы углеводного обмена гидроида Obelia loveni, ботриллюса Botryllus schlosseri и мшанки Lepralia pallasiana. Установлено, что при гипоксии происходит резкий рост показателя малатдегидрогеназы и лактат (МДГ/ЛДГ) у гидроида и ботриллюса, увеличение концентрации каротиноидов и рост показателя РНК/ДНК – у гидроида, ботриллюса и мшанки, снижение концентрации гликогена – у гидроида и кислоторастворимых углеводов – у ботриллюса.

©Н.М.Береговая, 2002

Характер метаболических процессов является индикатором состояния организмов и популяций в различных условиях обитания, поэтому изучение обменных процессов актуально при решении экологических проблем [2, 4]. Особое место в изучении адаптаций занимает исследование энергетического обмена гидробионтов в экстремальных условиях,. в частности, при гипоксии [10, 11]. Ввиду сильнейшего антропогенного загрязнения акватории Черного моря проблема дефицита кислорода и приспособительных реакций гидробионтов к гипоксии становится особенно актуальной [11].

Основным источником энергии для гидробионтов, ведущих прикрепленный образ жизни, какими являются изучаемые виды макрообрастания, является гликолиз [2]. На мидиях были получены данные, свидетельствующие о высокой чувствительности ферментов заключительного этапа гликолиза к гипоксии [5].

Гидроид, ботриллюс, мшанка являются типичными представителями биоценоза обрастания, однако, особенности катаболизма углеводов и возможные в этой связи адаптации у данных видов не изучались. Представляло интерес также выяснить, являются ли идентичными адаптации к гипоксии представителей разных таксономических групп, но одной и той же экологической ниши. Ранее нами были выявлены некоторые закономерности в изменении активности «пусковых» ферментов гликолиза: гексокиназы и глюкозо – 6 – фосфатдегидрогеназы [1].

В настоящей работе была поставлена цель: изучить изменение конечных звеньев гликолиза при гипоксии. Исходя из предположения, что динамика химического состава организма связана с изменениями окружающей среды, при поиске тест-параметров на гипоксию исследовали изменения показателей химического состава гидробионтов.

Материал и методы. Объектом исследования служили массовые виды в обрастании: гидроид Obelia loveni (Allan, 1859), колониальная асцидия Botryllus schlosseri (Pallas, 1766) и мшанка Lepralia pallasiana (Moll, 1803). Популяции выращивали на стеклянных пластинах, которые экспонировали в кутовой части Севастопольской бухты. Эксперименты на гидроидах проводили с февраля по май, на ботриллюсах и мшанках – с июня по август. Всего обработано 97 проб. Учитывали стадии развития гидробионтов: активный рост (3-х – 4-х недельные популяции до наступления активного гаметогенеза) и старение: популяции с морфологическими признаками начала редукции колонии [3]. Условия гипоксии создавали при экспонировании животных в течение 24 часов в закрытых сосудах с морской водой. Биомасса гидробионтов составляла 300 г на 0,5 л воды. Содержание кислорода в такой среде через 24 ч - 0,4 - 0,5 мл/л. Исследовали изменение уровня активности малатдегидрогеназы (МДГ – фермент обращенного участка цикла трикарбоновых кислот) и лактатдегидрогеназы (ЛДГ – фермент конечного звена гликолиза). Активность ферментов определяли спектрофотометрически по стандартной методике [8] при t 25С°. За единицу активности фермента принимали его количество, которое катализирует превращение 1 нмоля субстрата в минуту при оптимальных условиях определения. Рассчитывали коэффициент МДГ/ЛДГ, характеризующий устойчивость гидробионтов, ведущих прикрепленный образ жизни, к гипоксии [5]. Показатели химического состава определяли по комплексной методике определения химического состава живых организмов, модифицированной в отделе Санитарной гидробиологии ИнБЮМ [6]. Материалы исследования обрабатывали методами вариационной статистики [9]. Посчитаны величины среднего квадратичного отклонения, критерии достоверности для малых (n <; 20) выборок.

Результаты и обсуждение. Максимальная активность ЛДГ наблюдалась у гидроида и ботриллюса на стадии активного роста (табл. 1).

В период затухания физиологических процессов уровень активности ЛДГ у гидроида не снизился и составил 12 нмоль/мг белка/мин. У ботриллюса на стадии активного роста активность ЛДГ составляла 13 нмоль/мг белка/мин. и во время старения уменьшилась вдвое. У мшанки отмечена стабильно низкая активность ЛДГ на всех стадиях развития популяции. После 24 ч гипоксии наблюдалось снижение активности фермента: в 3,7 раз у гидроида и почти в 2 раза у ботриллюса. У мшанки уровень активности фермента оставался неизменным.

Активность ЛДГ у всех изучаемых обрастателей была очень низкой. Такая же низкая активность фермента обнаружена рядом авторов для животных, ведущих прикрепленный или малоподвижный образ жизни [5], в отличие от рыб. Крайне низкая активность ЛДГ заставляет предположить, что у изучаемых гидробионтов так же, как и у мидий, происходит редукция последних этапов гликолитического пути, и в точке образования фосфоэнолпирувата (ФЭП) катаболизм углеводов, возможно, идет по пути ФЭП-ЩУК [5] .

Активность МДГ у гидроида была максимальной при гипоксии (1800 нмоль/мг белка/мин.) и довольно высокой в период старения (1196 нмоль/мг белка/мин.). На стадии активного роста уровень активности МДГ был несколько ниже:1000 нмоль/мг белка/мин. У мшанки значения активности МДГ колебались в близких пределах: от 956 до 1000 единиц как в процессе онтогенеза, так и при гипоксии. Различия активности МДГ у мшанки были статистически недостоверны. У ботриллюса при старении колоний активность МДГ угнеталась, после гипоксии наблюдалось, напротив, резкое возрастание активности фермента: 2250 нмоль/мг белка/мин. (табл. 1). По [4], для ряда гидробионтов (пластинчатожаберных и брюхоногих моллюсков, балянусов) характерна высокая активность цитоплазматической МДГ. В тканях изученных животных высокая активность МДГ сочетается с низкой активностью ЛДГ. На основании полученных данных по активности МДГ и ЛДГ и при сопоставлении их с аналогичными данными по мидиям [5], балянусам [2], можно предположить, что у исследованных организмов обрастания лактат не является конечным продуктом распада гликогена, и адаптации у данных видов, возможно, идут по пути изменения конечных этапов катаболизма углеводов, в результате которых образуется не токсичный лактат, а сукцинат.

Незначительные изменения активности МДГ в онтогенезе мшанки свидетельствуют, возможно, об участии в окислительном обмене этих животных каких-либо иных адаптационных механизмов. Изменения МДГ у ботриллюса в онтогенезе составляют 38% и при гипоксии – 150%, что позволяет говорить о механизме биохимической адаптации с активным включением МДГ. Тот факт, что активность МДГ мшанки при гипоксии не повышается, позволяет предположить наличие внутриклеточного депо кислорода, роль которого, возможно, играют каротиноксисомы [7].

Известно предположение, что соотношение МДГ/ЛДГ является показателем устойчивости гидробионтов к гипоксии [5]. При подсчете этого показателя были получены данные, приведенные в таблице 2. У ботриллюса и гидроида при изменении физиологического состояния и, особенно, при гипоксии наблюдается резкое возрастание показателя МДГ/ЛДГ, что свидетельствует об устойчивости этих организмов к гипоксии. У мшанки в аналогичных условиях этот показатель довольно высок и практически стабилен на всех стадиях, что указывает на наличие иных механизмов адаптации к гипоксии помимо гликолиза.

Полученные данные по активности ферментов свидетельствуют о том, что у исследуемых видов сообщества обрастания биохимическая организация заключительного этапа гликолиза характеризуется единой схемой. Однако, в условиях гипоксии у разных видов потенциальные возможности этой схемы реализуются в различной степени. Hаиболее сильно они проявляются у гидроида, наименее - у мшанки.

Исходя из предположения, что соотношение МДГ/ЛДГ может являться показателем эврибионтности [2], интересно было провести сравнительный анализ этого показателя у изучаемых видов обрастателей и других представителей морской фауны (табл. 2).

Среди моллюсков наименьший коэффициент у Mizuchopecten yessoensis, дальневосточного моллюска, живущего в аэрируемых участках акватории при полной океанической солености. Данный вид характеризует крайне низкая приспособленность к гипоксии, и даже незначительное снижение концентрации кислорода вызывало гибель (80-85%) молоди [2]. Моллюск Mercenaria mercenaria периодически зарывается в грунт, подвергаясь, таким образом, воздействию дефицита кислорода. Вероятно, в связи с этим, соотношение МДГ/ЛДГ возрастает у этого вида на 110 единиц. Mytilus galloprovincialis ведет прикрепленный образ жизни, характеризуется высокой резистентностью к колебаниям среды обитания (МДГ/ЛДГ - 58). Изучаемые нами виды - гидроид, ботриллюс, мшанка - являются типичными представителями биоценоза обрастания и, предположительно, должны обладать высокой резистентностью к гипоксии. У мшанки и ботриллюса значение МДГ/ЛДГ превышает таковое у M. mercenaria, известного эврибионта, и в 2 - 6 раз выше, чем у M. galloprovincialis - вида, отличающегося высокой устойчивостью к колебаниям внешней среды. У балянуса, представителя ценоза обрастания, соотношение МДГ и ЛДГ ниже, чем у других видов, приведенных в таблице 2. Однако, среди ракообразных данный коэффициент самый высокий.

Исследование изменений химического состава в условиях гипоксии выявило возрастание каротиноидов в 1,5 - 2,5 раза для всех изучаемых видов (табл. 3). Существует взаимосвязь между концентрацией каротиноидов в тканях ряда моллюсков и степенью их устойчивости к гипоксии [7]. При этом большей устойчивости соответствует большая концентрация каротиноидов. Наши данные не противоречат указанному факту. В то же время резкое возрастание показателя в условиях кратковременной гипоксии говорит о стрессе, вызванным данным фактором. Для гидроида было характерно снижение концентрации гликогена в 1,5 раза, для ботриллюса-кислоторастворимых углеводов в 2 раза. Также можно отметить возрастание показателя РНК/ДНК для гидроида, ботриллюса и мшанки.

Выводы. 1. Активность ЛДГ у гидроида, ботриллюса, и мшанки крайне низка, что, вероятно, является общей характерной чертой для гидробионтов, ведущих прикрепленный или малоподвижный образ жизни. 2. Вероятная редукция последних этапов гликолиза, исключающая образование токсичного лактата, а также активация МДГ гидроида и ботриллюса в условиях гипоксии являются приспособительными реакциями данных организмов.3. Резкое возрастание показателя МДГ/ЛДГ у гидроида и ботриллюса при гипоксии свидетельствует об устойчивости к данному фактору. 4. В условиях гипоксии достоверно меняющимися параметрами химического состава изучаемых видов являются каротиноиды, РНК/ДНК (для всех трех видов), гликоген (для гидроида), кислоторастворимые углеводы (для ботриллюса).

1. Береговая Н. М., Шапиро А. З., Хазанова Е. М. Роль гексокиназы и глюкозо - 6 - фосфатдегидрогеназы в адаптациях гидробионтов - обрастателей // Экология моря. – 1992. - Вып. 42. - С. 36 - 40.

2. Бобкова А. Н. Адаптации организмов ценоза обрастания к экстремальным воздействиям // Автореф. дисс. … канд. биол. наук. - Севастополь, 1980. – 23 с.

3. 3. Брайко В.Д. Обрастание в Черном море. – Киев:Наук. думка. – 1985. – 123с.

4. Вержбинская Н. А., Савина Н. В. Эволюция гликолитической системы в типе моллюсков // Журн. эволюц. биохимии и физиологии. - 1971. - 7, №4. – С. 337 - 347.

5. Горомосова С. А., Шапиро А. З. Основные черты биохимии энергетического обмена мидий. - М.: Легкая и пищ. пром-сть, 1984. – 120 с.

6. Дивавин И. А., Копытов Ю. П. Динамика изменений биохимического состава отдельных органов мидии Mytilus galloprovincialis при интоксикации соляром // Экология моря. - 1988. - Вып. 26. - С. 80 - 86.

7. Карнаухов В.Н. Роль моллюсков с высоким содержанием каротиноидов в охране водной среды от загрязнения. – Пущино, 1978. – 73 с. (Препринт/Науч. Центр биол. исслед. АН СССР. Ин – т биол. физики АН СССР).

8. Мильман Л. С., Юровицкий Ю. Г., Ермолаева Л. П. Определение активности важнейших ферментов углеводного обмена // Методы биологии развития. - М.: Наука, 1974. - С. 346–363.

9. Урбах В. Ю. Статистический анализ в биологических и медицинских исследованиях. – М.: Медицина, 1975. – 295 с.

10. Шульман Г. Е., Столбов А. Я., Ставицкая Е. Н. Метаболическая стратегия адаптации гидробионтов к низкому содержанию кислорода // Тез. докл. на ХХХ1 Европейском симп. по морской биологии. - С.-Петербург, 1996. – 73 с.

11. Эмеретли И.В. Влияние гипоксии различной продолжительности на активность малат– и лактатдегидрогеназы в тканях мидии // Гидробиол. журнал. – 2001. – 37, №2. – С.81–85.

12. Russel E. l., Storex K B. Regulation of enzymes of carbohydrate metabolism during anoxia in the salt marsh bivalve Genkensia denissus // Physiol. - Zool. - 1995. -68, No 4. - P.567-582.

Институт биологии южных морей НАН Украины
г. Севастополь Получено 15.04.2002

N M. B E R E G O V A Y A

INFLUENCE OF HYPOXY ON BIOCHEMICAL COMPOSITION AND ELEMENTS OF FOULING HYDROBIONTS CARBOHYDRATE EXCHANGE.

Summary

Possibility of some biochemical indexes used in investigation of biochemical adaptations is being discussed. The increase of MDG/LDG index (5 - 5,6 times) in hydroid and botrillus under hypoxy is observed. In all studied species hypoxy caused an increase of carotenoids and RNA/DNA index. Lowering of glycogene level was a characteristic for hydroid and acid – soluble carbohydrate level – for botrillus.