Особенности гемоглобиновой системы окуня (Perca fluviatilis L.)

Речной окунь Perca fluviatilis L., 1758 выделяется среди многих видов рыб широким диапазоном приспособления к измененным условиям среды и большой устойчивостью к воздействию неблагоприятных факторов. В частности, он высоко устойчив к закислению воды: может обитать при pH 3,5 [7]. Кроме того, окунь относительно устойчив к недостатку кислорода в воде: его нормальная жизнедеятельность возможна при содержании кислорода в воде до 3 мг/л. У этого вида сравнительно большой разрыв между критическим и пороговым содержанием кислорода, что делает его менее уязвимым к изменениям кислородного режима. Кислородные потребности окуня существенно зависят от температуры воды: в низких температурах пороговое содержание кислорода у окуня приблизительно такое же, как у карася, а в высоких – как у плотвы и щуки [8]. Однако физиолого-биохимические механизмы, определяющие повышенную устойчивость окуня к закислению воды и недостатку кислорода в ней, слабо изучены. Мы исследовали у окуня функциональные свойства гемоглобина и ионное окружение, особенности которых, на наш взгляд, могут лежать в основе широкого диапазона адаптивных реакций окуня в сравнении с другими видами рыб.

Исследовался окунь Perca fluviatilis Linnaeus, 1758 Рыбинского водохранилища в летний период года. Рыб изучали сразу после отлова кратковременным (15–20 мин) неводом. Всего было изучено 26 половозрелых визуально здоровых особей обоего пола, длиной тела 120–205 мм, массой 84–176 г. Методы сбора и обработки проб крови и эритроцитов, анализа функциональных свойств гемоглобина (сродство к кислороду, эффект Бора) и концентрации ионов натрия и калия в эритроцитах описаны ранее [4; 6; 11]. Результаты, полученные в ходе исследования окуня, сопоставляли с таковыми на других рыбах. Сравнивали рыб близкого возраста, исследуемых в одинаковых сезонных и температурных условиях, иногда из одних мест отлова.

Парциальное напряжение кислорода, мм. рт. ст.

Р и с у н о к. Кривые кислородного равновесия окуня. 1, 2 – 0,005 М буферный раствор; 3, 4 – 0,05 М буферный раствор

У окуня – широкий диапазон изменения кривых кислородного равновесия гемоглобина при изменении концентрации и кислотности буферного раствора (рисунок). Высокое сродство гемоглобина к кислороду в 0,005 М калийфосфатном буфере при pH 7,2 сопровождалось неполной дезоксигенацией гемоглобина, т. е. лишь 65 % гемоглобина сохраняли способность отдавать кислород (Там же, кривая 1). При 0,05 М и pH 6,6 буферного раствора у окуня при крайне низком сродстве гемоглобина к кислороду отмечалась неполная оксигенация гемоглобина, т. е. гемоглобин насыщался кислородом воздуха только на 36 % (Там же, кривая 4). Величина эффекта Бора в буферных растворах 0,05 М и 0,005 М равнялась соответственно 1,73±0,043 и 1,4±0,062. Концентрация натрия и калия в эритроцитах окуня составляла соответственно 54,3±1,8 и 89,4±2,1 мМ.

В литературе достаточно хорошо освещены жаберные механизмы адаптации окуня к низким pH воды [2]. Результаты проведенных исследований позволяют говорить об участии еще двух буферных систем в поддержании высокой кислотоустойчивости окуня: Na + /H + обмене через мембрану эритроцитов и буферной системе гемоглобина.

На высокую эффективность гемоглобиновой буферной системы окуня в адаптации к низким значения pH среды указывают большая величина эффекта Бора и низкое сродство гемоглобина к кислороду вплоть до нарушения процесса оксигенации в кислом буферном растворе (Там же). Чем выше величина эффекта Бора у рыб, тем более чувствителен гемоглобин к закислению крови. Из исследованных нами видов рыб лишь у щуки, которая также высокоустойчива к закислению воды, были обнаружены близкие к окуневым показатели функциональных свойств гемоглобина: величина эффекта Бора при 0,05 М и pH 6,6 буферного раствора составляла 1,8, а кислородом воздуха насыщались лишь 28 % гемо- глобина [6; 9]. У самых неустойчивых к закислению воды осетровых минимальная величина эффекта Бора составляет 0,43–0,49. Среднеустойчивые к закислению рыбы (представители семейства карповых, в том числе налим и др.) занимают промежуточное положение между указанными выше видами рыб и по величинам эффекта Бора: 1,38–0,9. У осетровых кривые кислородного равновесия гемоглобина имеют S-образную форму и инвариантны, т. е. могут быть трансформированы друг в друга с помощью некоторого коэффициента (у русского осетра – 0,51). Наибольшие изменения формы кривых вплоть до неполной оксигенации в кислом буферном растворе (рН 6,6) прослеживается у окуня и щуки. Остальные виды рыб по устойчивости к закислению воды и нарушению формы кривых занимают промежуточное положение между указанными выше видами. Изменение формы кривых кислородного равновесия гемоглобина, сопровождающееся неполной оксигенацией в кислом буферном растворе, можно рассматривать как механизм снижения кислотности внутренней среды организма и, следовательно, как один из способов защиты организма от повреждающего действия водородных ионов.

По концентрации натрия в эритроцитах рыб можно судить об интенсивности Na+/H+ обмена через мембрану красных кровяных клеток. Наиболее сильной способностью к защелачиванию внутриэритроцитарной среды обладали окунь и щука (концентрация натрия в эритроцитах у последней – 62 мМ), т. е. виды, наиболее устойчивые к закислению воды. У самых неустойчивых к закислению воды осетровых минимальная концентрация натрия в эритроцитах составляла 13–17 мМ. У остальных, известных нам пресноводных рыб, относящихся к среднеустойчивым к низким pH воды, концентрация натрия в красных кровяных клетках находилась в диапазоне 28–46 мМ, т. е. наблюдался средней интенсивности об- мен Na+/H+ в эритроцитах в сравнении с вышеописанными видами [3; 5; 10–12].

Высокое сродство гемоглобина к кислороду (вплоть до нарушения процесса дезоксигенации в щелочном буферном растворе) (Там же, кривая 1), наблюдаемое у окуня, является важным молекулярным механизмом адаптации к гипоксии, обеспечивающим уменьшение потребления кислорода организмом. Из всех исследованных нами 21 вида рыб [6; 9] высокое сродство гемоглобина к кислороду с нарушениями дезоксигенации в щелочном растворе были обнаружены кроме окуня у карпа, карася, сома, линя и угря, т. е. у рыб, наиболее устойчивых к дефициту кислорода в воде. Однако у некоторых из перечисленных рыб эти показатели были более выраженными, чем у окуня: высокое сродство гемоглобина к кислороду наблюдали и в кислом буферном растворе, а нарушение дезоксигенации – еще при 0,05 М в щелочном. Кроме того, у этих видов рыб, особенно у факультативных анаэробов, существуют и другие механизмы для повышения устойчивости к гипоксии, которые отсутствуют у окуня [1]. Однако у окуня из всех исследованных нами ранее 21 вида рыб отмечалась наибольшая величина реакции процесса окси-дезоксигенации гемоглобина при изменении концентрации и кислотности буферного раствора. Максимальное сродство гемоглобина к кислороду (регистрируемое при pH 7,2 в 0,005 М буферного раствора) отличалось от минимального сродства (при pH 6,6 и 0,05 М) у окуня в 122 раза. У других исследованных нами костистых рыб (щуки, карася, карпа, линя, леща, густеры, чехони, налима, форели и др.) эти различия находились в диапазоне 6,0–23,0, а у осетровых (русского осетра, севрюги, белуги, сибирского осетра, лопатоноса) –2,2–3,0 [6; 9].

Известно, что существует обратная зависимость между концентрацией калия в эритроцитах и содержанием кислорода в крови и концентрацией оксигемоглобина, а также прямая зависимость – между концентрацией калия и дезоксигемоглобина в эритроцитах [13]. Самый низкий уровень калия в эритроцитах (65 мМ) отмечался у щуки из-за гипероксии крови вследствие большой поверхности жабр для обмена газами [4] и самый высокий (111 мМ) – у стерляди, которая, как и другие осетровые, может находиться без воды в течение нескольких часов [5]. У рыб, устойчивых к гипоксии (угря, карася, линя, карпа и сома), уровень калия в эритроцитах превышал аналогичный показатель у рыб со средней и низкой устойчивостью к недостатку кислорода в воде и колебался в пределах 90–106 мМ [3; 5; 10–12]. У окуня концентрация калия в эритроцитах находилась в диапазоне, указанном для устойчивых к гипоксии рыб.

СПÈСÎÊ ÈСПÎËЬЗÎВÀÍÍЫХ ÈСТÎЧÍÈÊÎВ

• 1.    Балашов, Д. А. Отношение гибридов карпа Сiprinus Сarpio и серебряного карася Сarassius auratus к дефициту кислорода / Д. А. Балашов, А. В. Рекубратский // Вопросы ихтиологии. – 2001. – Т. 51, № 5. – С. 665–669.

• 2.    Виноградов, Г. А. Процессы ионной регуляции у пресноводных рыб / Г. А. Виноградов. – Москва : Наука, 2000. – 216 с.

• 3.    Запруднова, Р. А. Влияние адреналина на содержание калия в плазме крови леща при стрессе и нересте / Р. А. Запруднова // Биология внутренних вод. – 2000. – № 4. – С. 133–140.

• 4.    Запруднова, Р. А . Межвидовые различия дыхательных функций эритроцитов некоторых пресноводных рыб / Р. А. Запруднова, И. М. Камшилов // Вопросы ихтиологии. – 2008. – Т. 48, № 4. – С. 553–562.

• 5.    Запруднова, Р. А. Буферные и дыхательные свойства и ионное окружение гемоглобина стерляди Аcipenser ruthenus / Р. А. Запруднова, И. М. Камшилов // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. – 2010. – Т. 46, № 3. – С. 242–244.

• 6.    Камшилов, И. М. Функциональные характеристики гемоглобинов проходных осетровых рыб / И. М. Камшилов // Вопросы ихтиологии. – 2000. – Т. 40, № 6. – С. 832–841.

• 7.    Комов, В. Т. Причины и последствия антропогенного закисления озер / В. Т. Комов. – Нижний Новгород, 2007. – 112 с.

• 8.    Лукьяненко, В. И. Экологические аспекты ихтиотоксикологии / В. И. Лукьяненко. – Москва : Агропромиздат, 1987. – 240 с.

• 9.    Лукьяненко, В. И. Гемоглобины рыб : спектральные характеристики и функциональные свойства / В. И. Лукьяненко, А. С. Васильев, И. М. Камшилов. – Ярославль, 2000. – 187 с.

• 10.    Мартемьянов, В. И. Содержание катионов в плазме, эритроцитах и мышечной ткани рыб Волжского плеса Рыбинского водохранилища / В. И. Мартемьянов // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. – 1992. – Т. 28, № 5. – С. 576–581.

• 11.    Мартемьянов, В. И. Динамика концентрации электролитов в плазме крови, эритроцитах и мышечной ткани пресноводных рыб при стрессе / В. И. Мартемьянов, Р. А. Запруднова // Биологические науки. – 1982. – № 10. – С. 44–49.

• 12.    Флерова, Г. И. Внутривидовые и межвидовые различия катионного состава плазмы крови и эритроцитов некоторых пресноводных рыб / Г. И. Флерова // Вопросы ихтиологии. – 1983. – Т. 23, № 1. – С. 126–134.

• 13.    Jensen, F. B. Influence of hemoglobin conformation, nitrite and eicosanoids on K transport across the carp red blood cell membrane / F. B. Jensen // J. Exper. Biol. – 1992. – Vol. 171. – P. 349–371.

Поступила 18.09.2014 г.

Об авторах :