Ткани и организмы

Как правило, действие низких температур на клетки, ткани и организмы носит в большей или меньшей степени повреждаю­щий характер. Это происходит, во-первых, вследствие глубокого нарушения обмена веществ при быстром понижении температу­ры, получившего название «температурный шок». Такое явление объясняется нарушением динамического равновесия биохимичес­ких процессов вследствие того, что активность разных ферментов при резком снижении температуры различна. В результате в клет­ках накапливаются промежуточные, зачастую токсичные продук­ты обмена веществ (метаболиты). Если процесс охлаждения про­водится быстро, то может наступить гибель биологического объекта.

При постепенном снижении температуры организм может адап­тироваться, т.е. приспособиться к изменяющимся условиям, и в этом случае выжить. Очень часто температурный шок сопровож­дается структурными изменениями в клетках. Внезапное охлажде­ние может привести к значительному увеличению вязкости про­топлазмы — до гелеобразования с последующим отделением жид­кой фазы.

При охлаждении биологических объектов ниже температур, при которых происходит превращение воды в лед, основную роль на­чинают играть повреждающие факторы процессов кристаллооб­разования — льдообразование.

Процесс льдообразования при постепенном понижении тем­пературы начинается после более или менее глубокого переох­лаждения. Сначала кристаллы льда возникают в межклеточной жидкости, концентрация растворенных веществ которой вслед­ствие вымерзания воды начинает увеличиваться. Разность между концентрациями растворов в межклеточном пространстве и внут­ри клеток приводит к перемещению влаги из клеток к кристаллам в межклеточном пространстве. Таким образом, увеличиваются кристаллы снаружи клеток, а сами клетки обезвоживаются. В дальнейшем процесс кристаллизации может начаться и в самих клет­ках. При оттаивании рассмотренные явления развиваются в об­ратной последовательности.

В случае быстрого понижения температуры биологических объек­тов кристаллизация может происходить одновременно внутри кле­ток и в окружающей их межклеточной жидкости.

В процессе хранения наблюдается миграционная перекристаллизация — увеличение размеров крупных кристаллов вследствие исчезновения мелких.

Одна из причин повреждения клеток — механическое действие кристаллов льда, которое приводит к их разрыву, проколам и порезам. Кроме того, из-за разрастания кристаллов льда в меж­клеточном пространстве уменьшаются размеры клетки, что вы­зывает сжатие и образование складок в оболочке, в результате чего может произойти механическое повреждение протоплазмы. При поступлении воды в клетку во время размораживания тесно соприкасающиеся слои протоплазмы начинают расходиться, при этом протоплазма часто отрывается от оболочки, что приводит к повреждению структуры клетки.

Еще более сильным повреждающим фактором является дена­турация протоплазматических белков, вызванная обезвоживани­ем клетки в результате вымораживания воды. Так, сближение мо­лекул белка в результате обезвоживания приводит к тому, что сульфгидрильные группы (—SH—) отдельных белковых молекул вступают во взаимодействие и образуют дисульфидные связи. При оттаивании вода проникает в клетки и начинает раздвигать белко­вые молекулы. Однако вследствие того что энергия образовавшихся дисульфидных связей выше, чем энергия водородных связей в структуре самой молекулы, происходит разрыв не дисульфидных, а водородных связей, что вызывает развертывание макромолекул белка, т.е. их денатурацию.

В результате вымораживания воды обезвоживание клетки мо­жет достичь такой степени, что различные протоплазматические структуры придут в соприкосновение. При этом возможен пере­нос ряда активных структурных компонентов с одной поверхнос­ти на другую. Например, соприкосновение сложных мембран ми­тохондрий, на которых расположены ферменты в строго установ­ленной последовательности, может нарушить энергетические про­цессы и привести к гибели клетки.

Наконец, еще один фактор повреждающего действия — повы­шение концентрации минеральных солей (электролитов) в незамерзшей клеточной жидкости при обезвоживании в процессе кри­сталлообразования. Под действием образующихся концентрирован­ных солевых растворов белки денатурируют, причем развитие про­цесса зависит не только от концентрации солей, но и от рН среды. К повышению концентрации солей особенно чувствительны липопротеиды, из которых в основном состоят мембраны клеток.

Поскольку с повышением концентрации солевых растворов возрастает осмотическое давление, весь комплекс явлений, раз­вивающихся при замораживании, получил название «осмотичес­кий шок».

Установлено, что многие органические вещества и некоторые биологические объекты лучше сохраняются при быстром и сверх­быстром замораживании. Например, диски концентрированного желатинового геля, быстро замороженные в жидком воздухе, не изменяются в результате кристаллообразования, а также под дей­ствием повреждающих факторов. Яичный желток утрачивает био­логическую активность после замораживания до -6 °С, но не по­вреждается при замораживании в жидком азоте и быстром оттаи­вании в теплой ртути.

В ряде случаев активность ферментов в значительной степени сохраняется при быстром и сверхбыстром замораживании. При быстром замораживании остается меньше времени для воздей­ствия солевых растворов на структуру белков молекул живых кле­ток. Микроскопические исследования биологических объектов показали также, что их структура сохраняется тем лучше, чем быстрее происходит замораживание.

Сохранение жизнеспособности биологических объектов при сверхбыстром замораживании обусловлено витрификацией (стеклообразованием) воды в протоплазме клеток и последующей девитрификацией (расстеклованием) при быстром отеплении. В ходе этих процессов не происходит перегруппировки молекул воды, что способствует сохранению тонкой структуры протоплазмы кле­ток. Витрификация представляет собой глубокое переохлаждение жидкости, при котором в ней отсутствует кристаллическая решетка.

Исследования показали, что даже при охлаждении с макси­мальной скоростью биологические объекты всегда содержат на­ряду с аморфной стеклообразной массой затвердевшей жидкости мельчайшие кристаллы льда.

Степень повреждающего действия низких температур зависит от места образования кристаллов льда в клетках и тканях биологи­ческих объектов. Так, при внутриклеточной кристаллизации ин­тенсивно разрушаются элементы протоплазмы. При заморажива­нии растительных организмов образование льда внутри клеток всегда приводит к их гибели. Подавляющее большинство клеток Животного организма также не выдерживает внутриклеточного льдообразования.

Благодаря использованию защитных веществ (глицерин, сахар­ный сироп, полиэтиленоксид и др.) возможны очень высокие скорости замораживания.