Несократительный термогенез

Несократительный термогенез — это процесс образования тепла в организме, не связанный с мышечными сокращениями (дрожью). Он представляет собой один из основных механизмов терморегуляции у теплокровных животных (эндодермов), наряду с сократительным термогенезом (мышечная дрожь) и поведенческой терморегуляцией. Несократительный термогенез обеспечивает поддержание постоянной температуры тела в условиях холода за счёт активации метаболических процессов, в первую очередь в бурой жировой ткани (БЖТ) и, в меньшей степени, в других органах, таких как печень и скелетные мышцы.

Физиологические основы и механизмы

Несократительный термогенез запускается при снижении температуры окружающей среды или при избыточном потреблении пищи (диетически индуцированный термогенез). Ключевым стимулом является активация симпатической нервной системы и выброс норадреналина, который связывается с β3-адренорецепторами на поверхности адипоцитов бурой жировой ткани.

Основной механизм теплопродукции в БЖТ связан с работой митохондриального разобщающего белка 1 (UCP1, термогенин). В норме в митохондриях протонный градиент, создаваемый дыхательной цепью, используется для синтеза АТФ. Однако UCP1 «разобщает» этот процесс: он создаёт утечку протонов обратно в матрикс митохондрии, минуя АТФ-синтазу. В результате энергия окисления жирных кислот (главного субстрата бурого жира) рассеивается в виде тепла, а не запасается в виде макроэргических связей АТФ. Эффективность этого процесса очень высока: бурая жировая ткань способна производить в несколько раз больше тепла на единицу массы, чем белая жировая ткань или мышцы.

Бурая жировая ткань (БЖТ)

БЖТ является основным органом несократительного термогенеза у млекопитающих. Она отличается от белой жировой ткани множеством мелких липидных капель и большим количеством митохондрий, содержащих UCP1. У человека наиболее значительные депо бурого жира локализуются в надключичной области, межлопаточном пространстве, вокруг крупных сосудов шеи и вдоль позвоночника.

Активация и регуляция

Холодовая экспозиция является наиболее мощным стимулом для активации БЖТ. При кратковременном охлаждении (например, пребывание на холоде в течение 1–2 часов) активируется уже существующий бурый жир, что приводит к быстрому увеличению теплопродукции. При длительной холодовой адаптации (дни и недели) происходит гипертрофия и гиперплазия клеток бурого жира, а также трансдифференцировка белого жира в бежевый (так называемый «браунинг»). Бежевые адипоциты, хотя и происходят из белых, также способны экспрессировать UCP1 при стимуляции.

Регуляция активности БЖТ осуществляется не только симпатической нервной системой, но и гормональными факторами, включая тиреоидные гормоны (Т3) и иризин (миокин, выделяемый мышцами при физической нагрузке).

Другие органы, участвующие в несократительном термогенезе

Хотя БЖТ является главным источником, другие ткани также вносят вклад в несократительный термогенез:

• Печень: В этом органе происходит окисление жирных кислот и глюконеогенез, частично разобщённые с синтезом АТФ, что даёт вклад в общее теплопродукцию. Однако печень не экспрессирует UCP1 в заметных количествах; механизм разобщения здесь более сложный и включает работу альтернативных оксидаз.
• Скелетные мышцы: В покое, при отсутствии сокращений, митохондрии мышц также могут продуцировать тепло через механизм UCP3 (главный разобщающий белок в мышцах), хотя его роль у человека остаётся предметом исследований. У некоторых животных (например, у мышей) мышечный термогенез может быть значительным.
• Серое вещество мозга: Обнаружена экспрессия UCP4 и UCP5, но их роль в термогенезе не ясна; вероятно, они участвуют в регуляции клеточного энергетического баланса и защиты от окислительного стресса.

Роль в обмене веществ и патологиях

Несократительный термогенез важен не только для поддержания температуры тела, но и для регуляции энергетического баланса организма. Активность БЖТ обратно коррелирует с индексом массы тела (ИМТ) и содержанием висцерального жира. У людей с ожирением и сахарным диабетом 2-го типа часто наблюдается сниженная активность бурого жира, что может способствовать накоплению энергии в виде белого жира.

Исследования показывают, что стимуляция несократительного термогенеза может быть потенциальным методом борьбы с ожирением. В частности, разрабатываются фармакологические агенты, активирующие UCP1 или способствующие браунингу белого жира. Однако клиническое применение таких препаратов ограничено из-за рисков (например, гипертермия, тахикардия).

Эволюционные аспекты

Бурая жировая ткань особенно развита у животных, впадающих в спячку (холодный торпор), а также у новорождённых млекопитающих, включая человека. У младенцев несократительный термогенез является основным способом теплопродукции, так как их терморегуляторные механизмы несовершенны, а мышечная дрожь неэффективна. Количество бурого жира у человека с возрастом уменьшается, но полностью не исчезает; у взрослых людей его активность может возрастать в ответ на холодовую адаптацию.

Интересные факты

• При длительном пребывании на холоде у людей, регулярно практикующих закаливание (например, моржевание), активность БЖТ может увеличиваться в 2–3 раза, что подтверждается ПЭТ/КТ-исследованиями.
• У птиц, в отличие от млекопитающих, по-видимому, нет бурой жировой ткани. Их основной механизм теплопродукции — мышечная дрожь (сократительный термогенез), хотя некоторые виды могут частично использовать несократительные пути в печени.
• Активация UCP1 может быть вызвана не только холодом, но и определёнными диетическими факторами, например, капсаицином (содержится в перце чили) или зелёным чаем (катехины). Однако эффект этих соединений у человека выражен слабее, чем у грызунов.
• В России и других северных странах изучение несократительного термогенеза имеет особое значение в контексте адаптации человека к холодному климату.

Источники

• Jastroch, M., et al. (2018). "Uncoupling protein 1: a key protein in thermogenesis." Reviews of Physiology, Biochemistry and Pharmacology.
• Cannon, B., & Nedergaard, J. (2004). "Brown adipose tissue: function and physiological significance." Physiological Reviews.
• Cypess, A. M., et al. (2009). "Identification and importance of brown adipose tissue in adult humans." The New England Journal of Medicine.
• Saito, M., et al. (2009). "High incidence of metabolically active brown adipose tissue in healthy adult humans: effects of cold exposure and adiposity." Diabetes.
• Villarroya, F., & Vidal-Puig, A. (2013). "Beyond the sympathetic tone: the new brown fat activators." Trends in Endocrinology & Metabolism.