Сезонные изменения уровня эндогенных этанола и ацетальдегида в крови крупных растительноядных млекопитающих Арктики и Субарктики

Проведено исследование сезонных (зима, лето) изменений состояния эндогенной системы метаболитов этанол/ацетальдегид (содержание эндогенного этанола (ЭЭ) и эндогенного ацетальдегида (ЭА) в крови, активность и концентрация алкогольдегидрогеназы (АДГ) и альдегиддегидрогеназы (АльДГ) печени) в организмах северного оленя (СО) и лошади якутской породы (ЯЛ), ее участия в механизмах адаптации аборигенных крупных северных растительноядных млекопитающих к экстремальным климатическим условиям высоких широт. Объекты исследования (СО и ЯЛ) относятся к аборигенным северным холодоадаптированным животным, ведущим круглогодично активный образ жизни в нативных условиях среды. Сбор биоматериала (кровь, печень) проводили сразу после забоя в нативных условиях в 2017–2019 гг. в декабре–январе и в июне–июле; nСО в каждом сезоне составило 30, nЯЛ – 40 особей. Сезонные колебания температуры в период проведения исследований составляли от –50 °С (зимой) до +38 °С (летом). Для определения концентрации ЭЭ и ЭА в цельной крови животных использовали метод газовой хроматографии с масс-спектрометрией (ГХ-МС). Показано, что у крупных растительноядных млекопитающих Арктики и Субарктики (ЯЛ, СО) уровни ЭЭ и ЭА в крови значительно выше, чем у лабораторных животных и человека во все сезоны года. Выявлена выраженная сезонная динамика содержания изученных метаболитов, заключающаяся в синхронном повышении их концентраций в крови в период низких температур окружающей среды. Механизм последних – сезонные изменения либо изоферментных форм АДГ и АльДГ, различающихся своими каталитическими и физико-химическими параметрами (СО), либо концентраций ферментов (ЯЛ). Эти изменения и являются теми физиолого-биохимическими адаптивными перестройками, которые увеличивают устойчивость организма к холоду. Повышение содержания в крови ЯЛ и СО эндогенного этанола является свидетельством включения в энергетический обмен резервного катаболического сырья, способного генерировать биохимически полезную энергию в стрессогенных условиях, а повышение содержания эндогенного ацетальдегида является механизмом снижения общего уровня биоэнергетических процессов с перераспределением их интенсивности в сторону повышения генерации тепловой энергии. Физиологической функцией системы эндогенных этанола, ацетальдегида и ферментов их метаболизирующих является регуляция (повышение) устойчивости организма к стрессирующему воздействию холода.

1. Anufriev A.I. Ecological mechanisms of temperature adaptations of mammals and wintering birds of Yakutia. Novosibirsk, 2013. P. 172–177.

2. Slonim A.D. Thermal adaptations and temperature compensations in homeothermic organisms // Animal Physiology. L., 1981. Part 3. P. 41–47.

3. Weldenegodguad M., Pokharel K., Yao Ming, Honkatukia M., Peippo J., Reilas T., Røed K.H., Kantanen J. Genome sequence and comparative analysis of reindeer (Rangifer tarandus) in northern Eurasia // Scientific Reports. 2020. Vol. 10, No. 1. 10.1038/s41598-020 65487-y

4. Blix A.S. Adaptations to polar life in mammals and birds // J. Exp. Biol. 2016. Vol. 219. P. 1093–1105. DOI: 10.1242 / jeb.120477pmid: 27103673

5. Weiqun Lu, Qing-Jun Meng, Tyler N.J.C., Stokkan K.-A., Loudon A.S.I. A circadian clock is not required in an Arctic mammal // Current Biology. 2010. Vol. 20, No. 6. P. 533–537 10.1016 /j.cub.2010.01.042.

6. van Oort B.E.H., Tyler N.J.C., Gerkema M.P., Folkow L., Blix A.S., Stokkan K.-A. Circadian organization in reindeer // Nature 2005. Vol. 438. P. 1095–1096. DOI: 10.1038/4381095apmid: 16371996

7. Røed K.H., Flagstad O., Nieminen M., Holand O., Dwyer M.J., Røv N., Vilà C. Genetic analyzes reveal independent domestication origins of Eurasian reindeer // Proc. R. Soc. B 275, 1849-1855 (2008). DOI: 10.1098 /rspb.2008.0332pmid: 18460427

8. Stokkan K.-A., van Oort B.E.H., Tyler N.J.C., Loudon A.S.I. Adaptations for life in the Arctic: Evidence that melatonin rhythms in reindeer are not driven by a circadian oscillator but acutely remainly sensitive to environmental photoperiod // J. Pineal Res. 2007. Vol. 43. P. 289–293. DOI: 10.1111/j.1600-079X.2007.00476. xpmid: 17803527

9. Lu W., Meng Q.J., Tyler N.J.C., Stokkan K.-A., Loudon A.S.I. A circadian clock is not required in an Arctic mammal. Curr. Biol. 2010. Vol. 20. P. 533–537. DOI: 10.1016/j.cub.2010.01.042pmid: 20226667

10. Cheremnykh I.E., Roschevsky M.P., Novozhilova E.A. Ungulates in the North. L., 1980. Quantity

11. Murphy B.A., Martin A.-M., Furney P., Elliott J.A. Absence of a serum melatonin rhythm under acutely extended darkness in the horse // Journal of Circadian Rhythms 2011. Vol. 9. 10.1186/1740-3391-9-3.

12. Kolosova O.N., Kershengolts B.M., Solomonov N.G. Endogenous ethanol and acetaldehyde in the mechanisms of regulation of the body’s vital activity during hibernation // Reports of the Academy of Sciences. 2011. Vol. 441, No. 1. P. 118–121.

13. Jone Jornvall H., Hoog J., Bahr-Lindstrom H. et al. Alcoholdehydrogenases and aldehydedehydrogenases // Biochem. Soc. Trans. 1988. Vol. 6. No. 3. P. 223–227.

14. Kolosova O.N., Kershengolts B.M. Stabilization of homeostasis of rats’ organism with ethanol under the exposure to cold // Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2015. Vol. 160, No. 9. P. 279–284.

15. Kolosova O.N., Kershengol’ts B.M. Endogenous ethanol and acetaldehyde in the mechanisms of adaptation of small mammals to Northern conditions // Russ. J. of Ecology. 2017. Vol. 48, Iss. 1. P. 68–72.

16. Komissarov I.A., Magalif A.Yu., Rotenberg Yu.S., Gudkova Yu.V. Molecular mechanisms of action of endogenous and exogenous ethanol // Bulletin of the Academy of Sciences of the USSR. Biology Series. 1983. No. 2. P. 260–267.

17. Ostrovsky Y.M. Endogenous ethanol – its methabolic, behavioral and biomedical significance // Alcohol. 1986. Vol. 3. P. 239–247.

18. Agarwal D.P., Seitz H.K. Alcohol in Health and Disease. NY; Basel: Marcel Dekker, 2001. 647 p.

19. Collins M.A. Tetraisoquinolines in vivo. Rat brain formation of salsolinol, a product of dopamine and acetaldehyde under certain conditions during ethanol intoxication // Life Sci. 1975. Vol. 16. P. 585–602.

20. Prokopyeva V.D. Molecular mechanisms of ethanol and its metabolites effect on the cell membranes in vitro and in vivo. Abstract of doctoral thesis. Tomsk, 2003.

21. Ingram L.O., Cfrey V.C., Donebek K.M. On the relationship between alcohol narcosis and membrane fluidity // Subst. Alcohol Acitons / Mesure. 1982. Vol. 3, No. 4. P. 213–224.

22. Pontes H., Pinho P.G., Casal S., Carmo H., Santos A., Magalhães T., Remião F., Carvalho F., Bastos M.L. GC Determination of Acetone, Acetaldehyde, Ethanol and Methanol in Biological Matrices and Cell Culture // J. of Chromatographic Sci. 2009. Vol. 47. P. 272–278.

23. Rogozhin V.V., Govorova T.P., Kershengolts B.M. Selective method of titration of active sites of alcohol dehydrogenase with chloro-n-hydroxymercuribenzoate // Bioorganic Chemistry. 1988. Vol. 14, No. 12. P. 16–26.

24. Kershengolts B.M., Serkina E.V. Some methodological approaches to the study of ethanol metabolism. M., 1981. Dep. in VINITI, 1981, no. D-3793, 7 p.

25. Kershengolts B.M., Turnin Kh.Kh. Polymorphism of ADH and AlDH in the population groups of Yakutia and the forecast of the population resistance to alcohol // Transactions of Yakutsk State University. 1994. P. 138–149.

26. Kramarova L.I., Ziganshin R.Kh., Gakhova E.N. Endogenous Hypometabolic-Hypothermic Factors and Their Possible Application to Life in the Cold // Russ. J. of Bioorganic Chemistry. 2009. Vol. 35, No. 5. P. 538–548.

27. Khlenyy E.S., Kolosova O.N., Anufriev A.I, Kerschengolts B.M. Experimental modelling of hipotermia at animals by means of modified regulator peptides, extracted at hibernating animals // Cryobiology. 2010. Vol. 61. Iss. 3. P. 365–366.