Воздействие низких температур на клетки, ткани и организмы

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.

Процесс льдообразования при постепенном понижении температуры начинается после более или менее глубокого переохлаждения. Сначала кристаллы льда образуются в межклеточной жидкости, концентрация растворенных веществ которой вследствие вымерзания воды начинает увеличиваться. Возникает разность между концентрациями растворов в межклеточном пространстве и внутри клеток, что приводит к перемещению влаги из клеток к кристаллам в межклеточном пространстве. Таким образом, увеличиваются кристаллы снаружи клеток, и обезвоживается их содержимое. 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.

Одной из причин повреждения клеток является механическое действие на них кристаллов льда, которое приводит к разрыву клеток, 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 и при этом часто происходит отрыв протоплазмы от оболочки, что приводит к повреждению структуры клетки.

В результате вымораживания воды обезвоживание клетки может достигнуть такой степени, что различные протоплазматические структуры приходят 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 одним фактором повреждающего действия является повышение концентрации минеральных солей (электролитов) в незамерзшей клеточной жидкости при обезвоживании в процессе кристаллообразования. Под действием образующихся концентрированных солевых растворов происходит денатурация белков, причем развитие ее зависит не только от концентрации солей, но и от величины 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 рассмотренных 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 сохраняется в значительной степени при быстром и сверхбыстром замораживании. При быстром охлаждении 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 их сверхбыстром замораживании обусловлено витрификацией (стеклообразованием) воды в протоплазме клеток и последующей девитрификацией (расстеклованием) при быстром отеплении. В ходе этих процессов не происходит перегруппировка молекул воды, что способствует сохранению тонкой структуры протоплазмы клеток.

Витрификация представляет собой глубокое переохлаждение жидкости, при котором в ней отсутствует кристаллическая решетка. Исследования биологических объектов показали, однако, что даже при охлаждении с максимальной скоростью эти 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.) при замораживании возможно применение очень высоких скоростей замораживания.