Средняя температура в квартире — около 22 °С. Когда мы выходим на улицу, где -30 °С, перепад температур, с которым нам приходится сталкиваться, оказывается больше 50 °С. Если же человек проводит при минусовых температурах очень много времени, в его организме начинают включаться биологические механизмы адаптации к холоду. Что это за механизмы и какую роль в них играют термочувствительные рецепторы, рассказывает заведующая лабораторией термофизиологии Научно-исследовательского института нейронаук и медицины доктор биологических наук Тамара Владимировна Козырева.
Уменьшается количество холодовых рецепторов
Наша кожа чувствует температуру окружающей среды не всей поверхностью, а отдельными точками, к которым подходят терморецепторы. «Раньше под ними понимали только нервные окончания. Сейчас мы знаем, что в этих нервных окончаниях располагаются также специальные белковые молекулы, которые под влиянием понижения или повышения температуры претерпевают конформационные изменения. Открываются поры, и в это пространство начинают входить ионы, соответственно, изменяется функция клетки (или нервного окончания)», — рассказывает Тамара Козырева. За обнаружение и описание работы этих каналов была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 2021 года.
Одни белковые молекулы, терморецепторы (например, TRPV1, TRPV2), отвечают за восприятие высоких температур, другие (TRPM8, TRPA1) — низких и очень низких. Они функционируют по-разному, в зависимости от того, какое время человек провел в жаре или на морозе. Исследователи из НИИНМ изучили людей, адаптированных к холоду, и оказалось, что у них количество функционирующих нервных окончаний, восприимчивых к низким температурам, уменьшено. То есть эти нервные окончания присутствуют в организме, но чувствительность многих из них отключена.
Количество рецепторов, чувствительных к холоду, может и увеличиваться. Вопреки ожиданиям, так происходит не при адаптации к жаре — в этом случае просто уменьшается количество рецепторов, реагирующих на тепло, — а когда организм приспосабливается к высоким физическим, например спортивным, нагрузкам. Поэтому для спортсменов переохлаждение особенно опасно.
Перестраивается дыхание
Ученые предположили, что люди, адаптированные к холоду, должны потреблять больше кислорода: при низких температурах его дополнительное количество нужно организму, чтобы нарабатывать тепло. Однако неожиданно потребление O2 у всех оказалось одинаковым. Объяснить этот феномен биологам удалось, когда они исследовали, как активность терморецепторов связана с параметрами дыхания.
Оказывается, количество функционирующих холодовых рецепторов влияет на частоту дыхания, его минутный объем (количество воздуха, которое человек может вдохнуть за минуту) и коэффициент экстракции кислорода. Последний показывает, сколько кислорода организм забирает из одного миллилитра воздуха. Для первых двух параметров удалось показать прямую зависимость от количества холодовых рецепторов, тогда как у коэффициента экстракции она оказалась обратной. То есть чем больше холодовых рецепторов есть у человека, тем чаще он дышит и больше воздуха вдыхает за минуту, но тем меньше кислорода из этого воздуха экстрагирует. У адаптированных к холоду людей происходит наоборот: количество холодовых точек уменьшается, объем и частота дыхания снижаются, но кислорода из каждого миллилитра они берут больше. Это позволяет экономить энергию на холоде, сохранять тепло и не охлаждать органы дыхания.
Модифицируется энергетический обмен
При адаптации к холоду изменяется также процесс окисления и фосфорилирования — метаболический путь, при котором энергия, образовавшаяся при окислении питательных веществ, запасается в митохондриях клеток в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Обычно нарабатывается некоторое количество АТФ, а часть энергии уходит на выделение тепла. У приспособленного к холоду человека количество наработки АТФ снижается за счет того, что увеличивается расход на «подогрев». В организме усиливается жировой обмен, поскольку при окислении жиров выделяется больше тепла.
Однако это чревато уменьшением концентрации в крови ионов кальция. Этот элемент накапливается в митохондриях, где и происходят процессы окисления и фосфорилирования. «Так как кальций необходим для работы мышц, у адаптированных к холоду людей, как правило, снижается КПД мышечного сокращения. Им приходится прикладывать больше усилий, чтобы совершить какое-либо действие», — отмечает Тамара Козырева.
Изменяются гены
Даже кратковременное воздействие холода способно вызвать изменение экспрессии генов некоторых белковых молекул. Кроме того, гены, которые кодируют белковые молекулы, образующие ионные каналы, могут обладать полиморфизмом. Так, примерно у 20 % популяции русских людей, живущих в Новосибирске, есть полиморфизм холодочувствительного ионного канала TRPM8, при котором одна аминокислота заменена на другую. Вместе с коллегами из ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» (лаборатория академика Михаила Ивановича Воеводы) ученые лаборатории термофизиологии НИИНМ установили, что это ассоциировано со сниженной чувствительностью к холоду.
«Когда мы начинаем охлаждать обычного человека, то уже при небольшом понижении температуры у него повышается потребление кислорода и снижается дыхательный коэффициент. Это показывает, что организм начинает использовать больше жира. При окислении жиров выделяется больше тепла, чем при окислении белков или углеводов. В то же время люди, у которых присутствует полиморфизм гена TRPM8, на снижение температуры практически никак не реагируют, лишь уменьшают потребление кислорода (гипометаболическая реакция)», — рассказывает Тамара Козырева.
Такая реакция на холод наблюдается, например, у некоторых аборигенов Австралии, которые при низких температурах снижают уровень метаболизма. Это помогает им претерпевать холод и позволяет без дополнительного утепления спать при 4 °С.
Более ранние исследования лаборатории термофизиологии НИИНМ показали, что при длительной адаптации к холоду в гипоталамусе уменьшается количество нейронов, чувствительных в диапазоне температур 35—39 °С. Исследователи предполагают, что это также обусловлено снижением экспрессии генов термочувствительных ионных каналов.
У кого может развиться адаптация к холоду?
Хорошо адаптированы к холоду аборигенные жители Крайнего Севера и участники длительных полярных экспедиций. Такая адаптация может развиться почти у каждого, кто проводит много времени в условиях холода. Однако не в 100 % случаев. По сути, мы приспосабливаемся к изменяющемуся температурному режиму каждый сезон (зимой — к холоду, летом — к теплу), но для приобретения адаптации этого недостаточно.
«Согласно нашим исследованиям, у человека адаптация к холоду наступает, если он живет в температурных условиях Норильска в течение трех лет и его деятельность связана с пребыванием на открытом воздухе, — комментирует Тамара Козырева. — Достаточные воздействия будут и в Новосибирске, если проводить зимой много времени на улице. Адаптацию к холоду могут иметь строители или охранники, которые вынуждены дежурить на вышках, а также люди, работающие в холодных цехах. Но определенно сказать, у кого и при каких условиях разовьется адаптация к холоду, мы не можем».
Чтобы организм крысы привык к жизни в холодном климате, ее нужно держать при низких температурах (+5 °С) минимум 5—6 недель, кошку – 2—3 месяца.
Берегите дыхание
Как быстро наш организм заметит холод и начнет к нему приспосабливаться, зависит буквально от того, какими частями тела мы этот холод воспринимаем. Исследования показали: если мы ощущаем прохладу кожными покровами, тут же включаются в работу различные защитные механизмы, а если сами мы находимся в тепле, но дышим морозным воздухом, можно быстро простыть.
«Мы проводили обследования: помещали человека в камеру со сниженной температурой, но дышал он теплым воздухом, который поступал снаружи. При этом у испытуемого развивались защитные реакции: уменьшалась теплоотдача, увеличивалось потребление кислорода, нарабатывалось тепло, повышалась дрожь. А потом сделали наоборот — человек сидел в теплой камере, но дышал холодным воздухом, и никаких из этих реакций не последовало. То есть рецепторов в дыхательных путях оказалось недостаточно, чтобы эти реакции запустить. Поэтому при низких температурах особенно важно беречь органы дыхания», — отмечает Тамара Козырева.
Ешьте досыта
Также исследователи из лаборатории термофизиологии НИИНМ изучили, как терморегуляция взаимодействует с водно-солевым обменом. Эксперименты проводились на крысах. Их не подвергали никакой дополнительной температурной нагрузке, но оказалось, что одно только изменение потребления воды существенно влияет на терморегуляторную систему.
Одни животные пили воду с сахарозой, но им не давали сухого корма. Другие ели досыта, но всухомятку — их лишили воды. Через несколько дней первые уже не могли поддерживать температуру своего тела и похудели, тогда как вторые перешли на жировой обмен и потеряли в весе меньше. Свою роль сыграли также ионные каналы, в частности TRPV2, реагирующий на высокие температуры. Потеря веса была пропорциональна представительству этого ионного канала в гипоталамусе.
Холод как терапия
Еще до работы с ионными каналами, воздействуя на животных низкой температурой, ученые лаборатории термофизиологии НИИНМ установили: если глубокое охлаждение ослабляет иммунный ответ на различные раздражители, то кратковременное охлаждение кожных покровов способно его стимулировать. Эксперименты с термочувствительными ионными каналами позволили подтвердить и дополнить эти данные.
Термочувствительные белковые молекулы, за которые вручена Нобелевская премия в 2021 году, реагируют не только на перепад температур, но и на вещества, которые издавна использовали как лекарства в народной медицине. Так, рецептор холода TRPM8 восприимчив к ментолу, мяте, эвкалипту — они способны оказывать на него почти такое же действие, как низкая температура, а TRPA1 чувствителен к горчичному маслу, имбирю и чесноку. Воздействуя на терморецепторы нагревом, охлаждением или обозначенными веществами, можно попробовать лечить некоторые болезни.
Например, у полученной в ФИЦ ИЦиГ СО РАН линии лабораторных крыс НИСАГ модели гипертензии человека (животные с повышенным артериальным давлением) изначально снижена экспрессия гена рецептора TRPM8. Ученые НИИНМ показали, что этот рецептор задействован как в повышении давления, так и в метаболических изменениях. Если активировать периферический TRPM8 с помощью ментола или охлаждения, можно нормализовать некоторые метаболические процессы и экспрессию гена этого ионного канала в гипоталамусе. Активация же TRPM8 в желудочно-кишечном тракте приводит к снижению артериального давления. Снизить давление помогала и стимуляция другого холодочувствительного канала — TRPА1, на него ученые воздействовали горчичным маслом.
Термочувствительные ионные каналы TRPM8 и ТРРА1, похоже, связаны и с нейропатическими болями — вероятно, поэтому иногда помогает прикладывать к месту боли полотенце со льдом. По данным ученых из Института эволюционной антропологии Макса Планка (Германия), мигрени чаще встречаются у жителей стран с холодным климатом, и виноват в этом как раз полиморфизм TRPM8. Экспрессия TRPM8 также резко возрастает и при раке простаты (пока неизвестно почему).
Термочувствительные ионные каналы начали изучать не так давно, многое про них еще только предстоит узнать, но уже сегодня во всем мире они рассматриваются как перспективная мишень для терапевтических воздействий.
Диана Хомякова
Фото из открытых источников
