Направленность и интенсивность процессов ассимиляции и диссимиляции, окисления и восстановления определяются физиологически активными веществами: ферментами, витаминами, гормонами, между которыми существует тесная связь и взаимообусловленность.
Изменения состояния организмов, в том числе и связанные с их активностью или покоем, являются результатом сдвигов, происходящих в их секреторных и ферментативных системах. Обычной формой адаптации ферментных процессов к новым условиям среды является изменение их активности и смещение или расширение амплитуды их действия.
Изменения активности дыхательных ферментов на отдельных стадиях онтогенеза колорадского жука изучались рядом авторов. Результаты определения активности в гомогенате тканей цитохромоксидазы и сукцинатдегидрогеназы показали значительные изменения соотношению окисления и восстановления на разных этапах его эмбрионального и постэмбрионального развития.
Во время эмбриогенеза жука активность окислительных процессов наиболее высока в периоды дробления оплодотворенной яйцеклетки — начала образования бластодермы (12 час развития зародыша), т. е. на этапе эмбрионального развития, когда у этого вида отмечена высокая митотическая активность. По данным Родионовой, в это время потребление кислорода зародышем возрастает, одновременно с чем понижается устойчивость его к парам HCN, что, по-видимому, обусловлено блокирующим действием HCN на митозы клеток, как это было отмечено для ряда других насекомых. Второй, менее значительный подъем активности цитохромоксидазы, отмеченный к концу вторых суток развития зародыша, совпадает по времени с формированием зародышевой полоски. В это время интенсивность потребления кислорода эмбрионами жука повышается, а устойчивость их к парам HCN падает. Третье повышение активности цитохромоксидазы наблюдается незадолго до вылупления личинок из яиц, т. е. в период окончательного формирования личиночных систем органов. Потребление кислорода на единицу веса в это время увеличивается почти в 8 раз по сравнению с первыми часами эмбриогенеза.
Этот заключительный этап эмбрионального развития жука характеризуется повторным снижением цианорезистентности зародышей. Повышение активности цитохромоксидазы и потребления кислорода незадолго до выхода личинок из яиц, по-видимому, связано с усилением кинетики при освобождении личинки от яйцевых оболочек. Повышение активности сукцинатдегидрогеназы в течение эмбриогенеза колорадского жука отмечается дважды: через сутки и через трое суток развития зародыша. По времени оно совпадает с пониженным потреблением кислорода и увеличением цианорезистентности.
Во время личиночного развития жука, на фоне общего понижения активности цитохромоксидазы от первого к четвертому возрасту, наблюдаются волны ее более глубокого подавления, связанные с линьками, во время которых окислительные процессы тканевого дыхания, преобладающие во время питания личинок, в значительной мере замещаются восстановительными, отраженными в значительном повышении активности сукцинатдегидрогеназы.
По мере личиночного развития происходит понижение активности цитохромоксидазы с некоторыми подъемами во время питания и падениями в периоды линек, когда повышается роль флавопротеиновых ферментов. Эта общая закономерность личиночного развития отмечалась рядом исследователей для насекомых с полным и неполным превращением. В развитии личинок жука третий возраст является как бы переломным, так как падение активности цитохромоксидазы во время линьки личинок со второго на третий возраст особенно глубоко. По данным ряда авторов, с третьего личиночного возраста у этого вида начинается усиленное разрастание жирового тела и накопление в нем резервных веществ — жира, гликогена и белков, за счет которых происходит метаморфоз.
Во время метаморфоза куколки жука, по данным Тихонравовой, кривая активности цитохромоксидазы имеет V-образный характер, подобно кривой газообмена, которая наблюдалась Тилавовым при изучении газообмена куколок этого вида. Такой характер кривой тканевого обмена куколки типичен в основном для всех изучавшихся Holometabola.
У только что вылупившихся из куколок жуков с еще мягкими хитиновыми покровами окислительные процессы с участием цитохромной системы занимают в метаболизме ведущее место. Через 15 дней преддиапаузного питания активность цитохромоксидазы в тканевом гомогенате достигает максимума (у самок 28,12, а у самцов 23, 26 мкМ/мин./мг белка). С началом зимней диапаузы активность цитохромоксидазы быстро понижается и к 15-му дню диапаузы она сокращается в 10 раз. Диаметрально противоположно ведет себя тканевая сукцинатдегидрогеназа. Ее минимальная активность (у самок 2,45, а у самцов 1,83 мкМ мин/мг белка) отмечена на 15-й день преддиапаузного питания. С началом диапаузы происходит стремительное повышение ее активности, и через 15 дней диапаузы активность сукцинатдегидрогеназы повышается также в 10 раз. «Равновесное» соотношение между активностью цитохромоксидазы и сукцинатдегидрогеназы достигается приблизительно на 5-й день диапаузы.
Рядом исследователей при помощи различных методов установлено, что в развитии куколок различных видов насекомых на определенных этапах метаморфоза гликолитические процессы (аноксибиоз) являются превалирующими. Подтверждением этому служат результаты изучения в период метаморфоза активности таких тканевых ферментов, как каталазы, тирозиназы, сукцинатдегидрогеназы и ряда физико-химических показателей внутренней среды, таких, как концентрация водородных ионов, окислительный потенциал, активность или концентрация которых повышается в периоды затрудненного дыхания и угнетения оксидативного обмена.
Динамика активности тканевых ферментов, каталазы, пероксидазы и полифенолоксидазы у колорадского жука на разных этапах имагинальной жизни определялась Ушатинской. Каталаза принадлежит к группе окислительных ферментов, содержащих железо в порфириновом кольце. Этот фермент довольно широко распространен среди организмов, что позволяет предполагать его важную роль в химизме клеточного дыхания. О высокой значимости каталазы у насекомых разных видов и стадий развития свидетельствуют многие литературные данные. Активность каталазы у насекомых в разные периоды их развития неодинакова. Она особенно высока во время диапаузы и зимовки, т. е. тогда, когда насекомые не питаются и обмен веществ идет за счет мобилизации внутренних резервов, а газообмен сокращен.
Результаты изучения динамики активности каталазы в постэмбриональном развитии жука показали, что количество этого фермента от яйца до имаго увеличивается, достигает максимума у куколки и понижается у старых жуков. Финк изучал динамику активности каталазы у жука в период метаморфоза и в течение зимнего покоя. По сравнению со взрослой личинкой активность каталазы у предкуколок (первые два дня) ниже на 16—19%. На третий и последний (4-й) день фазы предкуколки активность фермента была ниже всего на 0,8%. У сформировавшейся куколки активность каталазы повысилась на 6% по сравнению с личинками последнего возраста, ушедшими на окукливание. Далее отмечалось убывание активности каталазы. При выходе молодых жуков она была на 51% ниже, чем у личинок, ушедших на окукливание. Повышение активности фермента происходит в период питания жуков. Активность тканевой каталазы уменьшается во время зимнего покоя и еще более падает после окончания зимовки, во время весеннего пробуждения жуков.
Приведены результаты определений активности каталазы у колорадского жука на разных этапах имагинальной жизни. Эти данные в общем согласуются с наблюдениями Финка и Прехта, иллюстрируя глубокие различия в деятельности этого фермента в зависимости от физиологического состояния жуков. Активность каталазы низка при выходе из почвы молодых жуков, до начала их питания или в самом начале питания. Увеличение происходит во время преддиапаузного питания и достигает максимума с наступлением диапаузы, при уходе жуков в почву. В первые два месяца диапаузы активность фермента еще высока, но в первой декаде ноября она быстро понижается, параллельно увеличению дыхательного коэффициента и ослабеванию глубины торможения, вызванного процессами, связанными с диапаузой. Далее активность каталазы удерживается на довольно высоком уровне в течение всей зимовки и резко падает перед весенним пробуждением жуков и выходом их из почвы. Активность каталазы оказалась наиболее низкой в конце зимовки и при выходе перезимовавших жуков (до начала их питания), как это было отмечено ранее и другими авторами. Некоторое увеличение активности этого фермента происходит в период питания и размножения жука.
Следовательно, у жука переходы к активной жизнедеятельности (появление молодых жуков, пробуждение перезимовавших жуков) связаны с минимальной активностью каталазы, и, наоборот, наступление состояния покоя сопровождается ее максимальной активностью. Как отмечает Ушатинская, промежуточной является активность этого фермента зимой, подтверждая предположение о снятии в это время глубокого торможения типа диапаузы и сохранении его менее выраженной формы типа олигопаузы.
Активность сукцинатдегидрогеназа в гомогенате зимующих и пробудившихся после зимовки жуков изучалась Прехтом, который отметил понижение ее активности во время весеннего пробуждения жуков. Сукцинатдегидрогеназа зимующих жуков была в 2,5—3 раза выше, чем у закончивших зимовку. Прехт отметил также понижение активности каталазы при весеннем пробуждении жуков. Карлсен показал, что в зимний период запас витамина B1 ( = свободный анеурин + кокарбоксилаза) у жука расходуется очень экономно. Умеренно расходуется этот витамин и при пробуждении жуков весной. У летних жуков этот витамин расходуется очень быстро при голодании.
Прехт показал на жуке, что в период зимнего покоя, когда активность цитохромоксидазы находится на очень низком уровне, потребность в кислороде обеспечивается другими тканевыми ферментами, переносящими кислород, например каталазой, пероксидазой, полифенолоксидазой. Пероксидаза окисляет ограниченную группу веществ — полифенолы и некоторые ароматические амины. В животном организме вместе с каталазой пероксидаза защищает организм от накопления перекиси водорода и катализирует окислительные процессы. Полифенолоксидаза также относится к группе дыхательных оксидаз, имеющих сходство с гемоцианином и окисляющих только полифенолы. Изучение динамики активности обоих указанных ферментов у колорадского жука на разных стадиях имагинальной жизни показало, что изменения активности пероксидазы и полифенолоксидазы близки по своему характеру. У только что вышедших из куколок жуков активность пероксидазы равна 73,5—74,2 мг окисленного пурпурогаллина на 1 г сырого веса, за 5 мин при 20°. К 10-му дню преддиапаузного питания она достигает 212—223 мг, а к моменту наступления диапаузы, сразу после ухода жуков в почву, падает до 26,8—27,0 мг. Понижение активности пероксидазы продолжается после перехода диапаузирующих жуков в почву, и через 15 дней диапаузы она равна 11,78—18,16 мг пурпурогаллина на 1 г сырого веса, а через 25 дней диапаузы — 9,1—9,5 мг. На низком уровне активность фермента держалась в течение всей зимы и перед выходом из почвы весной достигала 12,0—18,4 мг. Весной, через 5—7 дней по выходе жуков из почвы, активность пероксидазы поднялась до 37,7—43,6 мг пурпурогаллина, а в разгар яйцекладки увеличилась до 50,4—71,8 мг.
Активность полифенолоксидазы повышается в первые дни преддиапаузного питания жуков с 12,7—14,5 мг ПГ (пурпурогаллиновое число) у только что отродившихся жуков до 28,9— 29,6 мг ПГ через 10 дней питания. Далее происходит постепенное понижение активности полифенолоксидазы, и при уходе в диапаузу окислительная способность ферментной вытяжки из самок достигает 5,5, а самцов — 4,0 мг. В течение всей зимы активность полифенолоксидазы сохраняется на низком уровне, относительно более высоком у самцов. После весеннего пробуждения у жуков отмечен некоторый подъем активности полифенолоксидазы (до 12—14 мг ПГ) с сохранением на том же уровне в летний сезон во время размножения. Таким образом, активность пероксидазы и полифенолоксидазы у жука резко понижается при наступлении физиологического покоя. Это происходит параллельно сокращению интенсивности газообмена и падению коэффициента дыхания и находится в обратной зависимости по отношению к активности каталазы, количество которой при уходе жуков в диапаузу достигает максимума.
Большое значение для процессов тканевого дыхания имеют так называемые биологические катализаторы, участвуя в них в качестве активаторов. К ним относится, например, глютатион, синтезирующийся в клетках и участвующий как в тканевом обмене в качестве активатора протеолитических ферментов, так и в газообмене в качестве активатора клеточного дыхания.
Содержание глутатиона у насекомых изучено недостаточно. Более детально глутатион изучал С. П. Демяновский у тутового шелкопряда, у которого во время развития начало каждой фазы характеризовалось высоким содержанием как окисленного, так и восстановленного глутатиона, тогда как в конце ее количество восстановленного глутатиона было равно количеству окисленного или несколько ниже его. Известны данные Финка по содержанию глутатиона у колорадского жука и его личинок, у жука и личинок Popillia japonica, Tenebrio molitor, Pieris rapae и некоторых других насекомых.
Количество глутатиона на разных этапах имагинального развития жука изучалось Ушатинской. Кривые количества глутатиона в гомогенате тканей жука напоминают изменения активности пероксидазы и полифенолоксидазы: в период преддиапаузного питания количество глютатиона увеличивается от 104,7—120,1 при выходе молодых жуков из почвы до 265,4—288 мг% через 15 дней питания. С наступлением зимней диапаузы количество глутатиона стремительно падает до 70,2—73,1 мг%. В течение теплой части осени количество глутатиона у жуков неустойчиво, с тенденцией к дальнейшему его уменьшению. В зимний холодный период его количество еще более понижается, в течение зимних месяцев находится в пределах 47—57 мг%. Весенний выход жуков сопровождается быстрым подъемом активности глутатиона до 173—180 мг%. На таком уровне содержание его удерживается на протяжении всего периода питания и размножения жуков.
Полученные данные позволяют предполагать зависимость между высоким содержанием глутатиона и преобладанием аэробного обмена.
Так же как и глутатион, аскорбиновая кислота почти с момента ее открытия стала рассматриваться в качестве переносчика водорода, так как она встречается во всех тканях в количествах, соизмеримых с количеством транспортируемого водорода или активностью соответствующих коферментов. Предполагается, что между глутатионом и аскорбиновой кислотой существуют определенные взаимоотношения, которые влияют на окислительно-восстановительный потенциал.