METABOLIZAM I HIPOMETABOLIZAM

Doc. dr. sc. Domagoj Đikić Prirodoslovno-matematički

fakultet

AUTOR: Doc.dr. sc. Domagoj Đikić (1975) diplomirao je biologiju na Prirodoslovno matematičkom fakultetu u Zagrebu. Radi kao znanstvenik i nastavnik u Zavod za animalnu fiziologiju, Prirodoslovno-matematičkog fakulteta, Sveučilišta u Zagrebu.Rooseveltov trg 610000 Zagreb

SAŽETAK:Hipometabolička stanja torpora, hibernacije, ili suspendirane animacije sustrategije kojima različite životinje izbjegavaju nepovoljne fiziološke uvjete(nedostatak hrane, niske ili visoke okolišne temperature). Fiziološkikontroliranim procesima one snižavaju razinu metabolizma i/ili tjelesnetemperature na duže vrijeme i do 70%. Iz tih stanja vraćaju se u normalnimetabolizam (normometaboliju) bez patoloških posljedica. Znanstvenediscipline poput primjerice moderne fundamentalne fiziologije, molekularnefiziologije i komparativno-evolucijske fiziologije istražuju ove procese zbogmoguće biomedicinske primjene u transplantaciji i smrzavanju organa, umjetnojhipotermiji, produženju životnog vijeka, terapiji raka, infarkta i metaboličkihbolesti. Predavanje obuhvaća pregled najzanimljivijih spoznaja u istraživanjuhipometaboličkih stanja u životinja uz odabrane primjere iz autorovog rada uovom području fiziologije.

-hipometabolička stanja-

Fiziološka stanja organizma u kojima životinje mogu preživjeti nepovolje uvjete i uštediti metaboličku energiju

Hipometabolička stanja- karakteriziraju se i mjere kao pad temperature ili kao stopa potrošnje kisika (ml/g) u tijelu

• - hibernacija• -torpor• -suspendirana animacija

Usporedba hipometabolizma u sisavaca

Torpor

-traje kroz kraći vremenski period-karakterističan za manje životinje-smanjenje bazalne temperature tijela do razina sličnih temperaturi okoliša

Hibernacija

-traje kroz dulji vremenski period-karakterističan za životinje manje do srednje veličine- smanjenje bazalne temperature tijela do razina sličnih temperaturi okoliša

“Zimski san”

-traje kroz dulji vremenski period-karakterističan za velike životinje ( medvjed )-smanjenje bazalne temperature tijela za nekoliko stupnjeva u odnosu na normalu

I u tropskim i suptropskim područjima

Acomys russatus -Izrael, Egipat, Palestina, Oman, termoneutral 27-33°C

Cheirogaleus medius

K. H. Dausmann, J Glos, JU Ganzhorn, G Heldmaier (2004)Physiology: Hibernation in a tropical primate. Nature 429, 825-826

I PRIMATI HIBERNIRAJU………….

Poticaji za ulazak u hibernaciju?

Niske temperature?Manjak hrane ili vode?Duljina dana i noći?Endogeni mehanizmi?

VRSTE HIBERNATORA

-FAKULTATIVNI HIBERNATORI- hibernacija je inducirana čimbenicima okoliša

-OBLIGATNI HIBERNATORI- hibernacija je inducirana unutarnjim čimbenicima ---- cirkadijanim ritmovima ili signalnim molekulama

Djungarijski hrčak

-glavni signal za ulazak u hibernaciju je duljina dana a ne temperatura

-melatonin iz epifize smanjuje količinu gonadotropina u hipotlamusu

-Sirijski hrčak – samo ako je količina spolnih hormona vrlo niska –budi se ako se apliciraju spolni hormoni

-također visoka razina leptina i povećana količina uskladištenih masti

-1. FAKULTATIVNI HIBERNATORI-hibernacija je inducirana čimbenicima okoliša

U pokusu u kojem su pozemene vjeverice držane u u laboratorijskim uvjetima konstantne temperature (22°C) i 12 sati svjetla tijekom nekoliko mjeseci ----svejedno ulaze u hibernacijski ciklus----- Signal je endogeni

-Glavno pitanje u proučavanju hipometabolizma--pada li prvo temperatura tijela ili metabolizam koji onda posredno uzrokuje pad temperature

Fiziološke promjene i značajke hipometabolizma

• Smanjena bazalna temperatura tijela• Namještanje nove “set-point” temperature

tijela• Tijekom depresije metabolizma i temperature

tijela provodi se kontrolirana termoregulacija

Fiziološke promjene i značajke hipometabolizma

Promjene u cirkulaciji

Smanjena respiracija i s time povezane acidoza i hipoksija i ishemija

Promjene u metabolički uskladištenoj energiji u jetri puha prije i za vrijeme hibernacije

Usporavanje metaboličkih procesa- Prebacivanje na metabolizam lipida

Fiziološke promjene i značajke hipometabolizma

Opće smanjenje sinteze proteina, s iznimkom nekoliko proteina specifičnih za hibernaciju

Fiziološke promjene i značajke hipometabolizma

BUĐENJE IZ HIBERNACIJE

U TORPORU…….

U HIBERNACIJI…….

Postoje i takozvana alarmna buđenja koja dokazuju da životinje u hipometabolizmu nisu u stanju obamrlosti već su itekako osjetljive na podražaje (i struja zraka preko dlake dovoljana je da životinja počne podizati metabolizam)

ULOGA SMEĐEG MASNOG TKIVA I UCP PROTEINA (TERMOGENINA)

Primjerice, neki odgovori u fiziologiji metabolizma itermoregulacije te posebice hipometaboličkih stanja (torpora,hibernacije) razjasnili bi:

1. kako se tkiva nose i rekuperiraju nakon stanja hipoksije uishemično-reperfuzijskim poremećajima pr. moždani ili srčani udar

2. kako se tkiva nose s oksidativnim stresom nastalim nakonreperfuzije

3. koji signali upravljaju metaboličkim putevima uskladištenjaenergije (debljina) ili potroška energije

4. fiziološke prilagodbe ili signali pri induciranoj komi ili izazivanjuhipometaboličkih stanja (pr. tijekom operacije) ili transportaranjenika

5. transport u stazi za duga putovanja

• -suspendirana animacija (kriobiologija)

Postavlja se pitanje:

-Ako je hipometabolizam tako učestala pojava među najrazličitijim vrstama sisavaca postoje li geni koji kontroliraju ulazak, tijek i izlazak iz hipometabolizma ?

Traženje prikladnog modela u postgenomskoj eri:

-Obrazloženja pojedinog sustava spuštaju se na subcelularnu razinu interakcije tkiva stanica ili pojedinih molekula i nukleinskih kiselina

KAKO IZABRATI MODEL?

Mesocricetus auratusMarmota marmotaMarmota marmota

Phodopus sungorus

AKR/J 28.6 2.3g n=6BL/6 23.9±1.1g n=8SWR/J 22.2±2.1g n=6

3 soja laboratorijskih miševa, 12-14 tjedana

Implantacija sondi za tjelesnu temperaturuOporavak tri tjednaInduciranje TorporaTb and MR simultano indirektnom kalorimetrijom

Đikić D, Heldmaier G, Meyer CW (2008) Life in the cold 13th ed.

10

15

20

25

30

35

40

07:12:00 09:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00 00:00:00 02:24:00 04:48:00 07:12:00

Time

Tb (°

C)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Oxy

gen

cons

umpt

ion

(ml/h

)

Tb

O2 (ml/h)

M4S4B6tsh

lights off

min M (average of minimum metabolic valuses

TIP (Torpor induction point)

End of Entry-Pointfirst point ≥ 20 ml/h;exmpl.=21.3 ml/h

Euthermia (RMR)

ArousalBout plateau (minimal Metabolism)Entry

Euthermia (Night activity h )

EuthermiaTorpor bout

RMR-average of minimal valuse

AKR/J

Long; 3/8 torp (37%) Short; 2/8 torp (25%) Multiple entry; 3/8 torp (37%) No torp 10/18 trials (55%)

B6

Disturbance intorpor; 5/21 torp ( 23%)

Preentry test drop;8/21 torp ( 38 %) No torp; 3/24 trials ( 12 %)Long; all 21 torp (100%)

SWR/J

Short, No B, 9/9 torp (100%) No torp; 9/18 trails (50 %)

Đikić D, Heldmaier G, Meyer CW (2008) Life in the cold 13th ed.

Đikić D, Heldmaier G, Meyer CW (2008) Life in the cold 13th ed. (in press)

91.7% torpid (87.5%)

77.7% torpid (38.8%)

66.7% torpid (38.8%)

#1 #2 #3Torpor Trial

BL/6

SWR/J

AKR/J

tb <25 C or MR <30%RMR tb<30 C or MR<50% RMR tb ≥30 C or MR≥50% RMR

M0S0 13.7. 23.7 27.7M1S1 13.7. 23.7 27.7M2S2 13.7. 23.7 27.7M3S3 13.7. 23.7 27.7M4S4 15.7 23.7 28.7M5S5 15.7M6S6 15.7 24.7M7S7 15.7 24.7 28.7

M1S1 1.9. 10.9.M2S2M3S3M4S4 1.9. 10.9.M5S5 28.8 2.9.M6S6 2.9.

M7S7 28.8 2.9. 11.9.M8S8 28.8. 6.9. 11.9.M9S12

M10S13 29.8M11S0

M12S11

Đikić D, Heldmaier G, Meyer CW (2008) Life in the cold 13th ed.

M3S3

Central European Time

6.00 12.00 18.00 0.00 6.00 12.00M

etab

olic

rate

(ml O

2/h)

0

20

40

60

80

100

120

140

Torpor trial #1Torpor trial #2

Tb=26.4°C

M1S1

Central European Time

6.00 12.00 18.00 0.00 6.00 12.00

Met

abol

ic ra

te (m

l O2/h

)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Torpor trial #1Torpor trial #2

Tb=34.0°C

Tissue samplingnormothermic torpid

Tb: 34-37°CMR: 66-105 ml/h

Tb: 25-29°CMR: 35-15 ml/h

SpeciesScientificName (N)

M FC T-Wert GeneChip Array Transcript ID(Array Design) Gene Title Gene

SymbolChromosomalLocation

Mus musculusBL6 (N=5) 1,28 2,42 4,92 Mouse Genome

MOE430A Array Mm.22768.1 claudin 5 Cldn5 chr16 A3|16

Mus musculus BL6 (N=5) -1,26 2,39 3,97 Mouse Genome

MOE430A Array Mm.3459.1 D site albuminpromoter binding protein Dbp chr7

B3|7

Mus musculus BL6 (N=5) -1,41 2,65 4,99 Mouse Genome

MOE430A Array Mm.24222.3 D site albuminpromoter binding protein Dbp chr7

B3|7

Mus musculus BL6 (N=5) -1,17 2,25 5,44 Mouse Genome

MOE430A Array Mm.3644.1 FABP fatty acidbinding protein 7, brain Fabp7 chr10

B4

PITANJE KOJE SMO POSTAVILI:

-Ako je hipometabolizam tako učestala pojava među najrazličitijim vrstama, postoje li geni koji kontroliraju ulazak u hipometabolizam ?

NAVODI NA ZAKLJUČAK:-da hipometabolizam kao učestala pojava među životinjama sigurno ima strogo kontroliranu fiziološku i genetsku osnovu a fiziološka adaptabilnost organizma s obzirom uvjete/signale diktiraju kada će se ti geni eksprimirati

Hvala na pozornosti