Some aspects of the biochemical basis of metabolic adaptation

Kurzfassung

Die Reihenfolge biochemischer Vorgänge während der Kälte-Akklimatisierung konnte in einer Vielzahl von Organismen verfolgt werden. Die Änderungen betreffen eine Verminderung freier Aminosäuren, ein Ansteigen von RNA, gebundenen Aminosäuren und Gewebeproteinen. Die Intensität der Proteinsynthese ist höher bei kaltadaptierten Individuen, und eine Reihe von Enzymen zeigt vermehrte Aktivität. Gleichzeitig steigt der Gehalt an Ascorbinsäure und Cytochrom c an. Es erfolgt eine Verschiebung des Kohlehydratstoff wechsels, wobei der HMP-Cyclus bei Kälteakklimatisierung dominiert, was vielleicht mithilft, den Vorrat an Pentosen für Nukleinsäure zu vergrößern und auch eine Zunahme an Ascorbinsäure verursacht. Bedeutsame Veränderungen erfolgen auch in Substanzen, welche mit dem Lipidstoffwechsel in Beziehung stehen; es kommt zu einem auffallenden Ansteigen der Entsättigung von Lipiden, was eine bevorzugte Mobilisierung gesättigter Tri-Glyzeride anzeigt. Die Lipase-Aktivität erhöht sich, desgleichen die Aktivität mehrerer anderer Enzyme. Dieser verstärkte Lipidabbau bedingt eine Vermehrung im Gehalt an Phospholipiden (was vielleicht mithilft, Mitochondrienfraktionen aufzubauen), Ketonkörpern und Cholesterin. Neben diesen Veränderungen im Zellstoffwechsel erfolgen wichtige Veränderungen im Gehalt an bedeutsamen Ionen der Körperflüssigkeiten. So sind bei Kälteakklimatisation Calcium, Kalium und Natrium vermehrt im Blut oder in den Körperflüssigkeiten vorhanden, während Magnesium, Sulfat und Chlorid abnehmen. Derartige Veränderungen führen zu erhöhtem Muskelstoffwechsel, ermöglichen eine größere Aktivität des Organismus und kompensieren damit die erniedrigte Temperatur. Alle angeführten Änderungen stehen wahrscheinlich unter hormoneller oder neurohumoraler Kontrolle. Eine Sterolfraktion, die im ZNS und in der Körperflüssigkeit kaltadaptierter Regenwürmer, Skorpione und Fische enthalten ist, hatte in vitro einen direkten Effekt auf die Geweberespiration normaler Individuen und regte den Stoffwechsel sehr stark an. Extrakte, welche von warm-akklimatisierten Individuen erhalten wurden, hatten eine entgegengesetzte Wirkung. Diese Effekte sind nicht artspezifisch. Offenbar werden Stoffwechselregulationen bei den meisten vielzelligen Kaltblütern, welche Temperaturänderungen kompensieren, von neurohumoralen (oder hormonalen) Agentien ausgelöst und reguliert.

Summary

• 1. In cold-acclimated animals the free amino acids in body fluids decrease, while the bound amino acids and the total protein within cells and tissues increase.

• 2. A parallel increase in RNA content is noticed, along with an increase in the rate of protein synthesis. A number of dehydrogenases and other enzymes as well as cytochrome c increase during cold acclimation.

• 3. There is a shift in the carbohydrate metabolism, resulting in the predominance of the HMP pathway. Ascorbic acid level and tissue glycogen increase during cold acclimation.

• 4. Cold acclimation furthermore results in an increase of calcium, potassium, and sodium in blood and body fluids while magnesium, sulphate and chloride show a significant decrease. These changes may result in increased muscle metabolism permitting increased activity of the organism.

• 5. The unsaturation of lipids (iodine number) increases, indicating preferential mobilization of saturated triglycerides in cold acclimation. Lipase activity increases greatly. Phospholipids, which help in regard to the structural integrity of mitochondria, also show an increase. Ketone bodies and cholesterol increase significantly.

• 6. Factors contained in body fluids or nerve tissue extracts of acclimated earthworms, scorpions or fish have direct effect on the respiration of tissues of normal organisms in vitro (Rao 1962,Rao &Saroja 1963). The sterol fraction of such extracts appears to contain the active principle.

• 7. It is indicated that hormone or hormone-like substances released into the “milieu interieur”, during acclimation, trigger and control a series of changes leading to the biochemical alterations summarized above.

• 8. Similar changes, but in the opposite direction, occur in slowing down metabolism during the aestivation of the snailPila globosa. The switching down of metabolic rate, in this case as well, is triggered by a sterol fraction obtainable from the central nervous system.

• 9. Considering the biochemical mechanisms in acclimation to be similar in different organisms, three possible modes of triggering and control are suggested, namely, direct effects of temperature, effects of the nervous system and, most important of all, regulation through the release of hormones or hormone-like substances.