Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ И СЕЗОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ АМИНОКИСЛОТНОГО СОСТАВА ТКАНЕЙ ПРЕСНОВОДНОЙ ПИЯВКИ HAEMOPIS SANGUISUGA (L. 1758)

Черная Л.В. 1
1 ФГБУН Институт экологии растений и животных УрО РАН
Исследовано содержание свободных аминокислот в тканях пресноводной пиявки Haemopis sanguisuga (L., 1758) из водных экосистем различных климатогеографических зон и в разные сезоны года (весна, лето, осень). Обнаружено, что обитание пиявок в неблагоприятных климатических условиях сопровождается интенсификацией аминокислотного обмена и стабильно высоким уровнем паттерна незаменимых аминокислот в тканях. Показано, что наибольшее влияние на аминокислотный обмен пиявок H. sanguisuga оказывает осеннее понижение температуры. В тканях пиявок, уходящих в зимний анабиоз, наблюдается аминокислотный дисбаланс, что указывает на высокую экологическую пластичность их метаболических процессов. Установлено, что повышение суммарных концентраций свободных аминокислот в тканях является адаптивным механизмом пиявок H. sanguisuga к воздействию неблагоприятных факторов среды.
сезоны года
неблагоприятные климатические условия
адаптация
свободные аминокислоты
Пиявки
1. Европейская конвенция о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях (ets n 123) (Страсбург, 18 марта 1986 года). – Режим доступа: http://conventions.coe.int/Treaty/Commun/QueVoulezVous...
2. Залозный Н.А. Роль олигохет и пиявок в экосистемах водоемов Западной Сибири // Биол. ресурсы водоемов Сибири и Дальнего Востока. – М.: Наука, 1984. – С. 124-143.
3. Каранова М.В. Изменение содержания свободных аминокислот тканевых жидкостей пресноводного моллюска Limnaea stagnalis в процессе сезонной адаптации к низким положительным температурам // Известия РАН. Серия биологическая, 2006. – № 6. – С. 719-724.
4. Лукин Е.И. Пиявки пресных и солоноватых водоемов. – Л., 1976. – Т.1. – 484 с.
5. Романова Е.М., Климина О.М. Биоресурсы класса Hirudinea в зоне Среднего Поволжья: экологическая значимость и перспективы использования // Известия Самарского научного центра РАН, 2010. – Т. 12. – № 1. – С. 208-211.
6. Черная Л.В., Ковальчук Л.А. Распространение пиявок в водных экосистемах города Екатеринбурга и его окрестностей // Экология. – 2009. – № 2. – С. 122-126.
7. Шаповалов М.И., Моторин А.А., Тхабисимова А.У. Пиявки (Hirudinea) в условиях антропогенной трансформации водных экосистем Северо-Западного Кавказа // Вода: химия и экология. – 2012. – № 4. – С. 61-67.
8. Chernaya L. Hirudinea fauna of industrial region in the Ural Mountains // Lauterbornia, 2012. H.75. P. 71-74.
9. Hochachka P.W., Somero G.N. Biochemical Adaptation: Mechanism and Process in Physiological Evolution. Oxford University Press, New York. 2002. 235 p.
Температура окружающей среды является важнейшим фактором, влияющим на распространение, численность и физиологическое состояние животных. Большая ложноконская пиявка Haemopis sanguisuga (L., 1758) широко распространена и особенно многочисленна в водных экосистемах юга европейской части России и сопредельных государств [1,5, 7]. На территории Европейского Севера, Урала и Сибири этот вид пиявок становится редким и малочисленным компонентом гирудофауны, что обусловлено экстремальными условиями для ее размножения в условиях сурового климата (короткий безморозный период, глубокое промерзание грунта) [2, 4, 6, 8]. Поскольку большие ложноконские пиявки имеют многолетний жизненный цикл (пять и более лет), они при наступлении зимних холодов неоднократно впадают в длительный зимний анабиоз.  С этих позиций несомненна актуальность исследований, направленных на изучение адаптивных возможностей пиявок к неблагоприятным факторам среды. Известно, что одной из форм физиологической адаптации пойкилотермных животных к обитанию в условиях низких температур является накопление в тканях и жидкостях биологически активных соединений: низкомолекулярных спиртов, свободных углеводов и аминокислот [3, 9]. Данное исследование посвящено изучению географических и сезонных особенностей аминокислотного спектра тканей хищной пиявки H. sanguisuga.

Материалы и методы

В исследованиях было использовано 140 взрослых особей большой ложноконской пиявки H. sanguisuga. Для изучения географических особенностей аминокислотного обмена использованы пиявки из 11-ти водных объектов различных регионов России, Украины и Казахстана: оз. Горелое и р. Уды (Харьковская обл.), оз. Глубокое (Луганская обл.), р. Лесной Воронеж (Тамбовская обл.), ерик Судомойка (Волгоградская обл.), р. Челбас (Краснодарский край), р. Бобровка и р. Сысерть (Свердловская обл.), оз. Еловое (Челябинская обл.), р. Нура и оз. Боровое (Акмолинская обл.). При сравнительной оценке аминокислотного спектра тканей пиявок, обитающих в водных экосистемах различных природно-климатических зон, использовали условные термины: европейская форма H. sanguisuga (регионы восточной части Украины и европейской территории России, где среднегодовая температура находится в диапазоне от +6.1єС до +11.9єС) и азиатская форма (Урал и северная часть Казахстана - регионы со среднегодовой температурой от +2.3єС до +3.2єС). Сезонную динамику концентраций свободных аминокислот (АК) в тканях пиявок оценивали у особей, отловленных в разные сезоны года в Белоярском водохранилище (Свердловская обл.): весной (I-я декада мая), летом (I-я декада августа) и осенью (III-я декада октября). Содержание пиявок, доставленных в лабораторию, осуществляли в соответствии с правилами, принятыми Европейской Конвенцией по защите животных, используемых для экспериментальных и научных целей [1].

Пул свободных аминокислот в тканях пиявок определяли методом ионообменной хроматографии с помощью автоматического анализатора ААА-339М фирмы Mikrotechna (Chechia). Подготовлено 140 проб, проведено 3220 элементо-определений.

Экспериментальные данные обрабатывали с использованием пакета лицензионных прикладных программ «Statistica for Windows 6.0.». Различия между сравниваемыми выборками считали статистически значимыми при p < 0.05; p < 0.01 - 0.001.

Результаты и обсуждение

Показано, что независимо от региона исследования, качественный состав аминокислотного спектра тканей H. sanguisuga постоянен, а его количественная структура претерпевает существенные изменения (табл.).

У европейской формы пиявок суммарный фонд свободных АК в тканях подвержен географической изменчивости (p < 0.001). Наибольшая дисперсия характерна для тканевых концентраций глутаминовой кислоты, пролина, аланина, цистеина, γ-аминомасляной кислоты, гистидина и аргинина (p = 0.000); наименьшая изменчивость выявлена для содержания фенилаланина (p = 0.020) (табл.).

У особей азиатской формы H. sanguisuga, в отличие от европейских пиявок, не выявлено географической изменчивости, как для суммарного фонда АК, так и для паттернов незаменимых (НАК) и заменимых (ЗАК) аминокислот (p > 0.05) (табл.). Уровень содержания аланина и валина, которым принадлежит ключевая роль в энергетическом гомеостазе и синтезе глюкозы, в тканях азиатской формы большой ложноконской пиявки, как показал дисперсионный анализ, подвержен наименьшей изменчивости (p = 0.001). Для концентраций остальных свободных АК, содержащихся в тканях пиявок азиатских популяций, выявлена достаточно высокая дисперсия (p < 0.000). Наибольшей внутривидовой изменчивости подвержены тканевые концентрации цистеиновой кислоты, пролина, цистеина, метионина, γ-аминомасляной кислоты, аргинина (p = 0.000) (табл.).

Диапазоны процентного содержания свободных аминокислот (min-max) и дисперсия их концентраций (Н-критерий Краскела - Уоллеса) в тканях H. sanguisuga различных географических популяций

 

АК, %

 

H. sanguisuga

Европейская форма

n = 60

Азиатская форма

n = 50

min-max

H5; 60

p

min-max

H4; 50

p

Cysteic Acid

Aspartic Acid

Threonine

Serine

Glutamic Acid + Gln

Proline

Glycine

Alanine

Valine

Cystine

Methionine

Isoleucine

Leucine

Tyrosine

Phenylalanine

GAВA

Ornithine

Lysine

Histidine

Arginine

0.56 - 1.33

5.93 - 10.7

3.51 - 5.89

4.55 - 8.36

24.6 - 29.3

0.66 - 3.55

6.29 - 7.94

14.1 - 19.4

5.87 - 7.19

0.21 - 1.08

0.94 - 1.80

1.74 - 3.56

2.60 - 6.01

0.84 - 1.92

1.56 - 2.66

0.32 - 0.94

1.2 - 2.26

2.74 - 5.55

0.39 - 1.48

0.30 - 0.89

48.8

42.4

36.2

49.6

54.0

51.1

37.0

52.8

46.1

50.7

26.8

45.2

32.9

30.1

13.4

51.0

38.7

46.3

50.8

55.8

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.020

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.56 - 2.59

8.17 - 14.3

4.28 - 6.68

5.05 - 6.75

17.1 - 25.5

0.30 - 0.72

6.15 - 8.43

14.6 - 17.9

5.47 - 7.70

0.31 - 0.67

1.77 - 3.83

2.47 - 3.47

4.16 - 5.88

1.40 - 2.19

1.79 - 2.69

0.13 - 0.87

1.24 - 2.52

3.95 - 5.72

1.21 - 2.15

0.68 - 1.72

40.1

37.9

22.1

20.3

25.1

43.5

26.3

18.7

18.7

44.1

42.7

20.9

33.0

22.6

25.4

45.5

35.9

33.2

35.9

43.0

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.001

0.001

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

Фонд АК, мкмоль/100г

НАК

ЗАК

1512 - 2311

23.5 - 30.3

66.1 - 72.7

34.9

22.2

46.3

0.000

0.005

0.000

2112 - 2559

31.5 - 33.6

63.0 - 66.0

7.42

7.42

6.29

0.115

0.115

0.178

Основным критерием аминокислотного баланса в организме являются показатели антитоксического индекса Фишера (ИФ) - соотношение концентраций аминокислот с разветвленной углеродной цепью (валин, изолейцин, лейцин) к ароматическим АК (тирозин, фенилаланин), составляющее в норме 0.3 ± 0.5. По нашим данным, значения ИФ у европейской формы пиявок лежат в диапазоне 3.23-4.43, а азиатской - от 3.22 до 3.94, что несколько отклонено от нормы, но не критично, и связано, скорее всего, с экологическими особенностями мест обитания.

Сравнительный анализ показал, что у особей H. sanguisuga, обитающих в водных экосистемах Урала и Северного Казахстана, по сравнению европейскими особями, более высокий уровень суммарных концентраций свободных АК тканей (p < 0.05) (табл.). В тканях азиатских пиявок повышено процентное содержание цистеиновой кислоты, аспарагиновой кислоты, треонина, глицина, метионина, тирозина, гистидина и аргинина, но понижено - серина, глутамата и глутамина, пролина, аланина и цистеина. Обнаружено, что обитание пиявок в условиях короткого безморозного периода и холодной продолжительной зимы сопровождается значительным повышением пула НАК.

Установлено, что физиологические процессы, связанные с сезонными особенностями биологического цикла гирудинид, обусловливают качественные и количественные изменения аминокислотного спектра в их тканях. Суммарные концентрации свободных АК в тканях H.sanguisuga значимо изменяются по сезонам: осень > весна > лето (p < 0.05) (рис.).

Сезонная динамика концентраций основных метаболических групп аминокислот в тканях больших ложноконских пиявок

Дисперсионный анализ выявил очень высокую сезонную изменчивость аминокислотного фонда ложноконской пиявки (H2; 30 = 26.7; p = 0.000). Максимальные концентрации свободных АК  (3058.6 ± 139.3 мкмоль/100 г) выявлены в тканях осенних особей (p < 0.05) (рис.). Аминокислотный пул, уходящих в анабиоз пиявок, повышен за счет кратного роста концентраций цистеиновой кислоты, глутаминовой кислоты и глутамина. Наиболее примечательными отличиями этой сезонной группы пиявок являются полная утилизация пролина, метионина и γ-аминомасляной кислоты, и присутствие в их тканях цитруллина и незаменимой аминокислоты триптофана, которые в летних и весенних биопробах H. sanguisuga не выявлялись.

У весенних пиявок, вышедших из зимнего анабиоза, суммарный фонд АК в тканях по сравнению с осенними особями снижен в 1.2 раза (2570.1 ± 222.9 мкмоль/100г) (p < 0.05) (рис.). Аминокислотный пул весенних пиявок за зимний сезон полностью утилизировал цитруллин и триптофан, а также потерял существенные количества цистеиновой кислоты и глутаминовой кислоты и глутамина, их содержание снизилось в 4.6 и 4.7 раза соответственно, однако концентрации остальных АК значимо повысились, что обусловлено активацией обменных процессов H. sanguisuga (p < 0.05).

Летний период, наиболее благоприятный в биологическом цикле гирудинид, когда происходит интенсивное наращивание мышечной массы и основная репродуктивная деятельность, характеризуется пониженным уровнем аминокислотного обмена H. sanguisuga. Суммарные концентрации АК в тканях летних особей (927.6 ± 73.4 мкмоль/100г)  ниже, чем у весенних и осенних пиявок в 2.8 и в 3.3 раза соответственно (p < 0.01) (рис.). В тканях этой сезонной группы H. sanguisuga отмечены минимальные концентрации всех свободных АК, за исключением пролина, участвующего в синтезе коллагена (p < 0.05). Наибольший обвал концентраций свободных АК в тканях летних особей, по сравнению с весенними, отмечен для цистеиновой кислоты, аспарагиновой кислоты, цистеина и для незаменимых АК: треонина, валина, метионина, изолейцина, лейцина, гистидина и аргинина (p < 0.01).

Отмечено, что суммарные концентрации пула незаменимых АК пиявок достаточно высоки и убывают в ряду весна < осень ≤ лето (рис.). В то же время низкий показатель соотношения НАК/ЗАК у осенних особей H. sanguisuga (0.10) указывает на аминокислотный дисбаланс в их тканях. О том, что у пиявок, уходящих в анабиоз, нарушен азотистый обмен, свидетельствует и высокое значение антитоксического индекса Фишера (ИФ=8.26). Пул заменимых АК в тканях осенних особей H. sanguisuga составляет 82.2 % от суммарного фонда, при этом на долю глутаминовой кислоты и глутамина приходится 67.0 %. Глутаминовая кислота поддерживает энергетический, медиаторный и пластический обмены в организме. Она служит предшественником при синтезе белков, ряда биологически активных соединений, обеспечивает синтез заменимых АК. При стрессовом напряжении организма (в нашем случае - околонулевая температура воды) глутамат служит естественным поставщиком кетоглутарата и янтарной кислоты, являясь наиболее эффективным субстратом в энергообеспечении. У особей ложноконских пиявок других сезонных групп глутаминовая кислота содержится в гораздо меньшем количестве: у летних особей - 23.6 %, у весенних - 17.0 % от суммарного фонда АК. Таким образом, выявленный нами высокий уровень глутамата в тканях осенних пиявок является необходимым метаболическим условием для поддержания процессов жизнеобеспечения H. sanguisuga, переходящих в зимний продолжительный анабиоз.

Заключение. Проведенные исследования установили общую закономерность внутривидовой изменчивости тканевого содержания пролина, цистеина, γ-аминомасляной кислоты и аргинина у обеих географических форм H. sanguisuga, что указывает на регулирующую роль данных АК в адаптации пиявок к экологическим особенностям изучаемых регионов. Обитание больших ложноконских пиявок в экстремальных климатических условиях сопровождается интенсификацией аминокислотного обмена и стабильно высокими концентрациями паттерна незаменимых аминокислот в тканях. Исследования сезонной изменчивости аминокислотного спектра в тканях пиявок H. sanguisuga показали, что наибольшее влияние на обменные процессы гирудинид оказывает осеннее понижение температуры. Высокая степень аминокислотного дисбаланса в тканях пиявок, уходящих в зимний анабиоз, по-нашему мнению, может способствовать развитию экологической пластичности метаболических процессов и выживанию не только в период зимнего анабиоза, но и формированию адаптивных стратегий при влиянии экстремальных факторов различного генеза.

Исследования проведены при поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные науки - медицине», грант №12-П-4-1049.

Рецензенты:

Хохуткин И.М., д.б.н., ведущий научный сотрудник Института экологии растений и животных, Уральское отделение Российской Академии наук, г. Екатеринбург;

Ковальчук Л.А., д.б.н., ведущий научный сотрудник Института экологии растений и животных, Уральское отделение Российской Академии наук, г. Екатеринбург.


Библиографическая ссылка

Черная Л.В. ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ И СЕЗОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ АМИНОКИСЛОТНОГО СОСТАВА ТКАНЕЙ ПРЕСНОВОДНОЙ ПИЯВКИ HAEMOPIS SANGUISUGA (L. 1758) // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15322 (дата обращения: 24.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252