CC BY
94
биохимия
© ТИТОв в.Н., ПАРХИМОвИЧ Р.М., 2016 УДК 612.015:547.295
Титов в.Н.1, Пархимович Р.М.2
ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ОБЩЕЙ ПАТОЛОГИИ. СТАНОВЛЕНИЕ ФУНКЦИИ МИТОХОНДРИЙ ПРИ СИМБИОЗЕ БАКТЕРИАЛЬНЫХ КЛЕТОК И АРХЕЙ. НЕСОСТОЯТЕЛЬНОСТЬ ЦИКЛА РЕНДЛА, РЕГУЛЯЦИЯ ИНСУЛИНОМ МЕТАБОЛИЗМА ЖИРНЫХ КИСЛОТ И ГЛЮКОЗЫ
1ФГБУ Российский кардиологический научно-производственный комплекс Минздрава РФ, г. Москва; 2ГБУЗ Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. владимировского, г. Москва.
Реализация правила Рендла циклом не является; С4 жирные кислоты (ЖК) — кетоновые тела при взаимоотношениях с метаболитом глюкозы — пируватом регулируют наработку митохондриями ацетил-КоА путем индукции субстратом, превращения его в цикле Кребса, реакциях дыхательной цепи, окислительного фосфорилирования и образования АТФ. В филогенезе ранним субстратом для образования митохондриями АТФ явился ацетил-КоА из С4 ЖК4; это вариант А индукции субстратом, заимствованный у архей. Вариант Б индукции субстратом у бактерий основан на синтезе митохондриями ацетил-КоА из пирувата, образованного в цитозоле из экзогенной глюкозы. Поздним активатором поглощения клетками глюкозы в филогенезе является инсулин; используя индукцию субстратом, он ингибирует поглощение клетками ЖК и специфично активирует поглощение ими глюкозы. Инсулин активирует поглощение глюкозы только инсулинозависимыми клетками путем снижения «биодоступности» ЖК, которые митохондрии предпочитают мета-болизировать со времен архей. Инсулин, блокируя липолиз в инсулинозависимых адипоцитах, «вынуждает» митохондрии вместо образования ацетил-КоА из ЖК нарабатывать его из пирувата при активации гликолиза и пируватдегидрогеназ-ного комплекса. Под действием инсулина митохондрии образуют ацетил-КоА и синтезируют АТФ не из пальмитиновой насыщенной ЖК, а из олеиновой мононенасыщенной ЖК. Кинетические параметры второй реакции и образование АТФ в единицу времени (производительность) намного выше, чем первой. Эффективность использования варианта А в синтезе АТФ, кинетические параметры наработки ацетил-КоА в митохондриях в варианте А из ЖК являются более эффективными, чем при варианте Б и метаболических превращениях глюкозы. Синдром резистентности к инсулину — это в первую очередь патология метаболизма ЖК и только во вторую — метаболизма глюкозы. Неспособность инсулина блокировать липолиз в филогенетически ранних висцеральных жировых клетках является основой резистентности.
К л ю ч е в ы е с л о в а: жирные кислоты, глюкоза, инсулин, митохондрии, АТФ, пируват.
Для цитирования: Титов В.Н., Пархимович Р.М. Филогенетическая теория общей патологии. Становление функции митохондрий при симбиозе бактериальных клеток и архей. Несостоятельность цикла Рендла, регуляция инсулином метаболизма жирных кислот и глюкозы. Клиническая лабораторная диагностика. 2016; 61 (7): 388-396
DOI 10.18821/0860-2084-2016-61-7-388-396
Titov V.N.1, Parchimovitch R.M.2
THE PHYLOGENETIC THEORY OF GENERAL PATHOLOGY. THE BECOMING OF FUNCTION OF AT MITOCHONDRIA AT SYMBIOSIS OF BACTERIAL CELLS AND ARCHAEA. INCONSISTENCY OF RANDLE CYCLE, REGULATION METABOLISM OF FATTY ACIDS AND GLUCOSE BY INSULIN
1The Russian cardiologic R&D production complex of Minzdrav of Russia, 121552 Moscow, Russia; 2The M.F. Vladimirskii Moskovskii oblastnoii clinical institute, Moscow, Russia
The implementation of Randle rule is not a cycle; fatty acids C4 - ketone bodies at interrelationships with glucose metabolite -pyruvate regulate production of mitochondria of acetyl-KoA by induction of substrate and its conversion in Krebs cycle, reactions of respiratory chain, oxidative phosphorylation and formation of ATP. In phylogenesis, the early substrate for formation of ATP by mitochondria is acetyl-KoA from C4 fatty acids 4; this is alternative A of induction by substrate adopted from archaea. The alternative B of induction in bacteria is based on synthesis of acetyl-KoA by mitohondria from pyruvate developed in cytosol from exogenous glucose. The insulin is late activator of absorption by glucose cells in phylogenesis; using induction by substrate, insulin inhibits absorption of fatty acids by cells and .specifically activates absorption of glucose by them. The insulin activates absorption of glucose only by insulin-dependent cells by force of decreasing of "bioavailability" of fatty acids. These cells are preferred to be metabolize by mitochondria from times of archaea. The insulin, blocking lipolysis in insulin-dependent adipocytes "forces" mitochondria, instead of formation of acetyl-KoA from fatty acids, to produce it from pyruvate at activation ofglycolysis and pyruvate-dehydrogenased complex. Under effect of insulin, mitochondria form acetyl-KoA and synthesize ATP from oleic mono-saturated fatty acids but not from palmitic saturated fatty acids. The kinetic parameters of second reaction and formation of ATP per unit of time (effectiveness) are much higher than in first reaction. The effectiveness of i9mplementation of alternative A in synthesis of ATP, kinetic parameters ofproduction of acetyl-KoA in mitochondria in alternative A are more effective than in case of alternative B and metabolic conversion of glucose. The syndrome of resistance to insulin is, at the first place, pathology of metabolism of fatty acids and only in the second place metabolism of glucose. The incapacity of insulin to block lipolysis in the phylogenetically earlier visceral fatty cells is the basis of resistance.
Keywords: fatty acids; glucose; insulin; mitochondria; ATP; pyruvate.
Для корреспонденции: Титов Владимир Николаевич, д-р мед. наук, проф., рук. лаб. клинической биохимии липопротеинов Института клинической кардиологии ФГБУ Российский кардиологический научно-производственный комплекс Минздрава РФ, 121552, г. Москва, ул. 3-я Черепковская, д. 15-а, тел. (495) 414-63-10; e-mail: vn_titov@mail.ru
biochemistry
For citation: Titov V.N., Parchimovitch R.M. The phylogenetic theory of general pathology. The becoming of function of at mitochondria at symbiosis of bacterial cells and archaea. Inconsistency of Randle cycle, regulation metabolism of fatty acids and glucose by insulin. Klinicheskaya Laboratornaya Diagnostika (Russian Clinical Laboratory Diagnostics) 2016; 61(7): 388396 (In Russ.)
DOI: 10.18821/0044-197X-2016-60-4-388-396
For correspondence: Titov V.N., doctor of medical sciences, professor, head of laboratory of clinical biochemistry with
course of molecular medicine. e-mail: vn_titov@mail.ru
Conflict of interests. The authors declare absence of conflict of interests.
Financing. The study had no sponsor .support.
Received 19.10.2015 Accepted '15.12.2015
С позиций филогенетической теории общей патологии создается впечатление, что на ранних ступенях развития жизни в филогенезе, в архейскую эру, в первом на земле океане, в жестких геохимических, физико-химических условиях пищей (субстратом) для наиболее ранних предшественников животных одноклеточных организмов стала уксусная кислота (ацетат), скорее всего — неорганического происхождения. Наиболее ранние животные клетки эры архей являлись экзо-трофами, хемотрофами; на более поздних ступенях филогенеза субстратом для митохондрий животных эры архей стали С4 кетоновые тела (КТ) и короткоцепочечные С6-С10 жирные кислоты (ЖК). При высокой температуре раннего океана в плазматической мембране клеток среди длинноцепо-чечных ЖК преобладала С16:0 пальмитиновая насыщенная ЖК (НЖК). Это наименее длинная ЖК, физико-химические параметры которой позволяют формировать моно- и многослойные (бислойные) структуры — основу плазматической мембраны животных клеток [1]. Эта ЖК с наиболее высокой температурой плавления (+69 °С); тугоплавкость позволяет мембране оставаться биологически активной при высокой температуре окружающей среды в первом мировом океане.
Более короткие среднецепочечные С12:0 лауриновая и С14:0 миристиновая кислоты не образуют бислойных структур, подобных мембранам клеток [2]. Пальмитиновая НЖК этерифицирована в sn-1 позиции всех фосфатидилхолинов; только для пальмитиновой НЖК на наружной поверхности внутренней мембраны митохондрий функционирует специфичный транспортер — карнитинпальмитоил ацилтрансфе-раза. В наследство от эры архей млекопитающим досталась способность клеток из ацетата, из активированной формы уксусной кислоты — ацетил-КоА синтезировать С16:0 пальмитиновую НЖК без накопления промежуточных форм ЖК, без «остановок» на С2—С16 при действии мультифермент-ного комплекса Линнена.
Вероятно, тоже как наследство от эры архей, клетки позвоночных не могут экзогенную С16:0 пальмитиновую НЖК превратить в С18:1 олеиновую мононенасыщенную ЖК (МЖК). Это объясняется отсутствием у животных архейской эры (архей) экспрессии пальмитоилэлонгазы и возможности превратить in vivo пальмитиновую НЖК в С18:0 стеариновую НЖК. Пальмитиновую НЖК археи могли десатуриро-вать при действии пальмитоил-КоА-десатуразы-1 с образованием афизиологичной для приматов и человека ró-7 С16:1 пальмитолеиновой НЖК.
Процесс превращения пальмитиновая НЖК ^ олеиновая МЖК сформировался только на поздних ступенях филогенеза при становлении биологической функции локомоции и системы инсулина. Гормон регулирует в первую очередь метаболические превращения ЖК и во вторую — биохимические превращения глюкозы. Только инсулин, экспрессируя одновременно синтез пальмитоил-КоА-элонгазы и стеарил-КоА-десатуразы, обеспечивает оптимальным субстратом для наработки энергии все инсулинозависимые клетки с целью реализации ими биологической функции локомоции. Только
инсулин инициирует in vivo превращение в олеиновую МЖК всей пальмитиновой НЖК, которую синтезируют клетки из экзогенной глюкозы. При инсулинорезистентности (ИР) клетки in vivo, в первую очередь — адипоциты, превращают всю экзогенную глюкозу в пальмитиновую НЖК и отчасти — в пальмитолеиновую МЖК; так это происходило на самых ранних ступенях филогенеза еще у архей. Различия ЖК, которые депонированы в форме триглицеридов (ТГ) в висцеральных жировых клетках сальника и подкожных адипоци-тах, являются свидетельством того, что сформировались они на разных ступенях филогенеза, и это различие развивалось сотни миллионов лет.
Симбиоз более поздних бактерий и архей на ранних ступенях филогенеза и функция митохондрий. Создается впечатление, что на ранних ступенях филогенеза, в течение миллионов лет археи, наиболее ранние предшественники животных клеток для наработки энергии использовали экзогенный, неорганический ацетат (диацетат); синтез глюкозы археи, вероятно, так и не отработали. В отличие от животных архей гетеротрофов самые ранние бактерии аутотрофы, обладая способностью утилизировать энергию световых, солнечных квантов, стали из СО2 и Н2О синтезировать глюкозу in situ de novo и использовать ее в реализации биологических функций и биологических реакций на клеточном, аутокринном уровне. Конечным продуктом анаэробного метаболизма глюкозы в реакциях гликолиза в бактериальных клетках является молочная кислота. После превращения ее в пируват в пируват-дегидрогеназном комплексе (ПДГ) цитоплазмы митохондрии синтезировали из нее ацетил-КоА; далее органеллы метабо-лизируют ацетил-КоА из пирувата: а) в цикле Кребса; б) в реакциях дыхательной цепи и в) на этапах окислительного фосфорилирования АДФ в АТФ.
Мы полагаем, что при наличии в межклеточной среде короткоцепочечных ЖК, длинноцепочечных пальмитиновой НЖК и олеиновой МЖК, функциональная система архей (CD36 ^ белки переносчики цитоплазмы ^ митохондрии) быстро поглощает НЭЖК, обеспечивая потребности клетки в энергии, в АТФ [3]. Если ацетата, КТ и ЖК в межклеточной среде нет, в цитоплазме происходят активация гликолиза и синтез лактата, который ПДГ-комплекс превращает в пи-руват. Митохондрии вынужденно метаболизируют пируват, реализуя синтез АТФ. К тому же энергоемкость глюкозы намного ниже, чем короткоцепочечных С6—С10 и тем более — длинноцепочечных С16—С18 ЖК. Все разнообразие ЖК в нейронах мозга синтезировано из ацетата и КТ; для ЖК гематоэнцефалический барьер (бислой эндотелиоциты + астроциты) является непроходимым.
Митохондрии прекращают использование ацетил-КоА из КТ и ЖК при синтезе АТФ только при блокаде р-окисления. Это происходит при: а) дефиците в межклеточной среде НЭЖК и низкой биодоступности их для клеток; б) дефиците О2, в условиях гипоксической гипоксии и в) клиническом применении препаратов — блокаторов р-окисления. Есть все основания полагать, что потенциальные возможности, кото-
биохимия
Метаболические превращения глюкозы в цитоплазме клеток и митохондриях. Образование АТФ в цитозоле в результате липолиза и в митохондриях при окислительном фосфорили-ровании.
рые формирует для митохондрий образование ацетил-КоА из ЖК (вариант А — от «архей»), с учетом запаса ЖК в форме ТГ в клетках, во много раз больше, чем могут обеспечить гликолиз в цитоплазме и наработка органических кислот лактат ^ пируват. Это, как мы полагаем, вариант Б (от «бактерии») снабжения митохондрий субстратами для цикла Кребса, дыхательной цепи митохондрий, окислительного фосфорили-рования — образования АТФ.
При изменении биогеохимических условий на планете Земля, в начале наработки растениями О более поздние в филогенезе бактериальные клетки с аутотрофным питанием в большей мере приспособились к изменению условий внешней среды. Вероятно, труднее пришлось археям в условиях уменьшения количества доступного экзогенного диа-цетата, когда явные эволюционные преимущества получили аутотрофные бактерии. Существование архей-экзотрофов, которые: а) потребляют экзогенную, химическую по составу ингредиентов пищу и б) не сформировали эффективную, биологическую функцию адаптации, стало проблематичным; археи оказались на грани вымирания.
В условиях выраженного изменения условий внешней среды и на основе обоюдовыгодной биологической реакции симбиоза произошло, мы полагаем, функциональное единение (симбиотическое слияние) филогенетически более поздних бактерий и более ранних архей. Основными в биологической реакции симбиотического слияния стали более продвинутые в обеспечении эндогенными субстратами, филогенетически более поздние бактериальные клетки; они функционально и структурно почти «поглотили» архей. И хотя русская пословица утверждает, что «в чужой монастырь со своим уставом не ходят», растительные клетки-хозяева, как мы полагаем, при симбиотическом слиянии приватизировали более ранние археи с митохондриями и геномом. Мы считаем, что при симбиотическом слиянии в образованные симбиотические клетки (в бактериальные клетки из архей, кроме митохондрий + геном), перешли также гидрофобные кластеры плазматической мембраны клеток, которые мы именуем рафтами, или плотами. Состоят они из наиболее гидрофобных фосфолипидов (ФЛ) — сфингомиелинов с «заякоренными» функционально разными интегральными протеинами, включая; а) скевенджер-рецепторы СБ36 и б) семейство белков цитоплазмы, которые переносят ацетат в
форме ацетил-КоА и ЖК в форме ацил-КоА в цитоплазме от плазматической мембраны клеток в митохондрии.
С годами многие белки для митохондрий стали синтезировать рибосомы эндоплазматической сети клетки-хозяина. В то же время специфичные протеины дыхательной цепи, структуры окислительного фосфорилирования и специфичный ФЛ кардиолипин митохондрии, как и прежде, синтезируют сами, руководствуясь своим геномом. В симбиотиче-ской клетке, как и в обоих ее предшественниках, митохондрии — единственные органеллы, которые формируют АТФ. Кардиолипин — специфичный ФЛ митохондрий, облигат-ный компонент внутренней мембраны митохондрий животных и растительных клеток. Он необходим для реализации функции дыхательной цепи и реакций окислительного фос-форилирования. Кардиолипин — это две молекулы дифос-фатидилглицерина, которые соединены с третьей молекулой глицерина: кардиолипин содержит четыре цепи длинноцепо-чечных ЖК (два пальмитиновые НЖК и две — ненасыщенных ЖК, ННЖК) + два остатка ортофосфорной кислоты; в кардиолипине нет атома N. Вероятно, конфигурация из двух цепей пальмитиновой НЖК и двух цепей w-6 С18:2 лино-левой ННЖК структурно необходима для дыхательной цепи митохондрий и окислительного фосфорилирования.
После симбиотического слияния бактериальных клеток и архей, субстратов для метаболизма в митохондриях, в дыхательной цепи и реакциях окислительного фосфорилирования стало два: 1) Филогенетически более ранний (от архей) синтез АТФ из ЖК при окислении ацетил-КоА, который митохондрии образуют из экзогенного ацетата и ЖК (вариант А). 2) Филогенетически более поздний вариант бактериального (вариант Б) синтеза АТФ при окислении в митохондриях пи-рувата, который образован в цитоплазме клеток из экзогенной (эндогенной) глюкозы, из лактата в реакциях гликолиза (см. рисунок).
Филогенетически ранний вариант образования АТФ у ар-хей (вариант А), происходящего при поглощении клетками кетоновых тел и ЖК, включает малое число этапов, быстр в реализации и обладает потенциально высокой производительностью. Филогенетически более поздний бактериальный вариант синтеза АТФ (вариант Б) при потреблении митохондриями пирувата включает много этапов превращения в цитоплазме глюкозы в лактат в реакциях гликолиза, а также функцию ПДГ-комплекса, который превращает лактат в пи-руват. Последний поглощается митохондриями и превращается в ацетил-КоА; процесс этот медленный и менее производительный, по сравнению с вариантом А, при поглощении клетками ЖК. К тому же в клетках запас глюкозы (гликогена) во много раз меньше, чем депонированных ЖК в форме ТГ в цитоплазме в каплях липидов. Депонирование же гликогена — гидрофильного полимера глюкозы — реализуют главным образом перипортальные гепатоциты, скелетные миоциты и кардимиоциты.
Мы полагаем, что симбиотические клетки вместе с митохондриями приватизировали из архей их геном, а также: а) эффективную систему поглощения ацетата и ЖК в структуре рафтов (плотов) — гидрофобных кластеров из сфингомиелинов ФЛ, которые они встроили в менее гидрофобную, плазматическую мембрану бактериальной клетки-хозяина из фосфатидилхолинов; б) белки-переносчики, которые быстро формировали ацетил-КоА из ацетата, ацил-КоА из ЖК и переносят их к митохондриям; г) специфичный транспортер в митохондриях, во внутренней мембране — карнитин-пальмитоил ацилтрансферазу. Он обеспечивает преодоление внутренней мембраны и вхождение в матрикс митохондрий пальмитиновой НЖК. При этом на наружной поверхности внутренней мембраны митохондрий происходит пере-этерификация пальмитиновой НЖК из одного тиоэфира —
biochemistry
пальмитоил-КоА — в иной карнитиновый эфир пальмитиновой НЖК; после преодоления ЖК внутренней мембраны митохондрий этерификация проходит в обратном направлении, с образованием ацил-КоА.
Мы полагаем, что рафты (плоты), гидрофобные кластеры плазматической мембраны клеток хозяина с высоким содержанием сфингофосфолипидов и функционально специфичных «заякоренных» белков заимствовали бактериальные клетки у архей. Сформированная в начале филогенез система «рафты (СД36) ^ цитоплазма ^ митохондрии» обеспечивает: а) быстрое поглощение клетками ацетата и длинноцепо-чечной пальмитиновой НЖК; б) активное превращение их в ацетил-КоА и ацил-КоА — пальмитоил-КоА; в) быстрое поглощение митохондриями. Последовательность рафты ^ цитоплазма клеток ^ матрикс митохондрий ориентирована в первую очередь на перенос пальмитиновой НЖК. Роль тугоплавкой пальмитиновой НЖК у клеток на ранних ступенях филогенеза велика и обусловлена высокой температурой воды (изоволюметрический интервал воды) в первом мировом океане (36—42 °С) [4].
На ранних ступенях филогенеза археи в силу условий окружающей среды сформировали не самый совершенный пальмитиновый вариант метаболизма ЖК для наработки клетками симбионтами энергии [5] — просто иной возможности еще не было. Функционировал in vivo пальмитиновый вариант метаболизма ЖК многие миллионы лет. На более эффективный олеиновый вариант метаболизма ЖК он был заменен только через миллионы лет. Произошло это на поздних ступенях филогенеза: а) при становлении биологической функции локомоции; б) при формировании системы инсулина и в) только в филогенетически поздних, инсулинозависи-мых клетках. Инсулин «заменил» менее производительный пальмитиновый вариант метаболизма ЖК in vivo на более производительный олеиновый. В олеиновом варианте метаболизма ЖК константы окисления ЖК стали на порядок более высокими по сравнению с пальмитиновым вариантом. Мы установили это путем окисления индивидуальных ЖК на анализаторе двойных связей при окислении озоном (О3) и регистрации кинетики реакции [6].
Бактериальные клетки-хозяева много ранее их симбио-тического слияния с археями сформировали небыстрый, энергетически позитивный гликолиз; завершает его синтез молочной кислоты — лактата. Его в цитоплазме клеток ПДГ-комплекс превращает в пируват. Митохондрии, поглощая пируват, синтезируют ацетил-КоА и в конечном итоге нарабатывают АТФ. Происходит это, однако, при реализации клетками многих последовательных реакций метаболизма: а) активированная по градиенту концентрации межклеточная среда — цитоплазма ^ поглощение глюкозы при действии глюкозных транспортеров (ГЛЮТ1—ГЛЮТ3); б) фосфори-лирование глюкозы в цитоплазме при действии глюкозоокси-дазы (гексокиназы) и О2; в) реализация реакций гликолиза в цитоплазме с образованием лактата; г) формирование из лак-тата в ПДГ-комплексе пирувата — который, впрочем, поглощают митохондрии и в матриксе превращают в ацетил-КоА. Образуемые при этом доноры протонов (НАДН, НАДФР) митохондрии используют в реакциях дыхательной цепи и окислительного фосфорилирования для образования АТФ. Время, которое необходимо клетке для синтеза АТФ из глюкозы (вариант Б), существенно больше по сравнению с реализацией варианта А — синтеза АТФ из короткоцепочечных ацил-КоА.
Еще одним параметром, который важно рассмотреть для понимания функционального различия субстратов и количественных параметров наработки АТФ в вариантах А и Б, является скорость, с которой клетки поглощают ЖК и глюкозу из межклеточной среды. Сколь быстро клетки поглоща-
ют субстраты в вариантах А и Б, столь быстро начинается и наработка митохондриями АТФ. При пассивном (активированном) поглощении клетками субстратов этим параметром являются содержание их в цитоплазме и градиент концентрации межклеточная среда ^ цитоплазма. Если концентрация глюкозы в цитоплазме лишь несколько ниже, чем в межклеточной среде, в биологической реакции эндотрофии, при отсутствии приема пищи, пассивное, активированное поглощение клетками глюкозы (вариант Б) быстрым быть не может. В то же время цитоплазма клеток содержит лишь следовые количества ЖК в форме НЭЖК, и каждая поглощенная клеткой ЖК (вариант А) митохондрии быстро подвергают окислению с образованием АТФ; градиент межклеточная среда ^ цитоплазма (вариант А) реально высок и составляет 0,5—1,2 ммоль/л ^ следовые количества.
Казалось бы, все каталитические и потенциальные параметры варианта А обеспечения митохондрий субстратами оказываются выше, чем у варианта Б. Это действительно так. Однако быстрое окисление в митохондриях коротких ЖК, быстрая наработка АТФ требуют эквимольных количеств О2. Реакции гликолиза позволяют наработать умеренное количество АТФ, по сути, в анаэробных условиях, при которых окисление глюкозы заканчивается образованием лактата. Однако при этом образуется мало АТФ и формируется метаболический ацидоз за счет накопления органических анионов — лактата, лактацидоз.
И если мы говорим о реализации биологической функции локомоции и окислении в митохондриях ацетил-КоА и ацил-КоА, необходимо одновременно с активацией поглощения клетками глюкозы обеспечить интенсивную, длительную оксигенацию тканей, насыщение их О2. Усиление оксигена-ции клеток и тканей при реализации биологической функции локомоции регулирует тоже инсулин. Окисление митохондриями ЖК — основа обеспечения клеток и тканей энергией при реализации биологической функции трофологии, биологической реакции эндоцитоза. Активация гормон-зависимой липазы в висцеральных жировых клетках и высвобождение НЭЖК в межклеточную среду позволяют всем клеткам быстро поглощать, окислять ЖК в митохондриях и нарабатывать АТФ.
Когда же на ступенях филогенеза стала формироваться биологическая функция локомоции — движение за счет сокращения не гладкой, как это было ранее, а поперечнополосатой мускулатуры, — при реализации принципа преемственности и формировании единой технологии становления в филогенеза функциональных систем произошло становление системы инсулина. Роль инсулина в биологии — обеспечение энергией биологической функции локомоции; реализуют in vivo эту функцию все инсулинозависимые клетки. Согласно филогенетической теории общей патологии и методологическим приемам биологической субординации, филогенетически более поздние регуляторы надстраиваются над более ранними, функционально с ними взаимодействуют, но отменить действие более раннего в филогенезе медиатора более поздний регулятор не может. То, что сформировано на ранних ступенях филогенеза, на более поздних стадиях может быть усовершенствовано при действии иных факторов регуляции. Все можно подвергнуть дальнейшему развитию и совершенствованию согласно методологическому приему биологической преемственности с тем, чтобы энергетическое обеспечение биологической функции локомоции стало более совершенным [7].
Ожирение, резистентность к инсулину (ИР), сахарный диабет первого и второго типов являются состояниями, которые связаны с нарушением функции дыхательной цепи, окислительного фосфорилирования в митохондриях инсу-линозависимых скелетных миоцитов, вплоть до снижения
биохимия
числа митохондрий [8]. В цитоплазме инсулинозависимых клеток выявлены изменения морфологии митохондрий и снижение массы органелл. У грызунов структура мембран митохондрий, ее функция и запрограммированная гибель органелл регулируются балансом между процессами слияния митохондрий и образования новых органелл [9]. Происходит это у приматов и человека.
Митохондрии в становлении афизиологичных процессов in vivo. Более 300 млн человек во всем мире могут иметь ИР к 2025 г [10]. В кластер сочетанных с ИР заболеваний входят ожирение, гиперлипопротеинемия (ГЛП), эссенциальная (метаболическая) артериальная гипертония (АГ) и нарушение биологической функции эндоэкологии, формирование биологической реакции воспаления [11]. Хотя патогенез ИР остается не до конца ясным, установлено, что формирование ИР в подкожных адипоцитах, гепатоцитах и скелетных мио-цитах имеет наиболее важное значение в постепенном истощении р-клеток островков Лангерганса [12]. Изучая проблемы сахарного диабета на протяжении десятков лет, мы не во всем согласны со «смешанным» пониманием нозологических форм: а) диабет первого типа; б) диабет второго типа; в) состояние ИР. Мы предлагаем рассмотреть их с позиций филогенетической теории общей патологии.
1. Сахарный диабет первого типа — вторичное нарушение, деструкция р-клеток островков поджелудочной железы (вирусная, аутоиммунная гибель р-клеток) и неспособность секретировать инсулин; формируется сахарный диабет с дефицитом инсулина, который требует адекватной заместительной терапии.
2. Сахарный диабет второго типа — врожденные нарушения структуры рецепторов к инсулину, глюкозных транспортеров, блокада действия гормона на инсулинозависимые клетки с длительной компенсаторной гиперинсулинемией. Второй тип — структурообусловленный, врожденный диабет с гиперинсулинемией; заместительная терапия, как правило, оказывается малоэффективной.
3. ИР — функциональное состояние, потеря способности инсулина регулировать инсулинозависимые клетки в результате нарушения метаболизма, в первую очередь — ЖК, при действии филогенетически ранних гормональных медиаторов. ИР — функциональное состояние, которое можно (необходимо) нормализовать путем коррекции развившейся дисфункции; заместительное введение инсулина показано редко.
4. Если течение диабета второго типа осложняется полным истощением функций р-клеток островков, гиперинсули-немический диабет второго типа постепенно превращается в инсулинодефецитный диабет первого типа.
5. Если ИР после длительного состояния активированной, некомпенсированной секреции заканчивается «срывом» секреторной функции р-клеток островков, ИР превращается в диабет первого типа с дефектом синтеза инсулина.
6. Трудно понять, почему функциональную резистентность к инсулину (ИР) совместили со структурно обусловленным диабетом второго типа.
Симптом ИР — это в первую очередь нарушение метаболизма ЖК и только во вторую — метаболизма глюкозы [13]. Проспективные исследования среди индейцев племени Pima выявили нарушение окисления ЖК, низкий уровень метаболизма in vivo как фактор риска увеличения массы тела и развития ИР. При этом установлены «строгие» взаимоотношения между активностью метаболизма ЖК в клетках и ИР в инсулинозависимых скелетных миоцитах. Нарушение окисления ЖК в митохондриях является частью патогенеза неалкогольной жировой болезни печени и стеатоза у мышей; это усиливает продукцию глюкозы гепатоцитами и инициирует гипергликемию. В дополнение к этому р-клетки поджелудоч-
ной железы функционально сцеплены с микросомальным белком, переносящим ТГ. Вместе с АТФ они задействованы в системе регуляции синтеза и секреции инсулина в р-клетках островков поджелудочной железы.
ИР формируется параллельно уменьшению числа митохондрий, их массы в инсулинозависимых клетках, снижению окислительного фосфорилирования и образованию АТФ [14]. Нарушение окисления ЖК в митохондриях является причиной накопления избыточного количества липидов в скелетных миоцитах, адипоцитах и в р-клетках островков. Происходит это при депонировании в цитоплазме липидов в форме ацилкарнитинов, длинноцепочечных ацил-КоА, диа-цилглицеридов и церамидов. Афизиологичные метаболиты ЖК, которые в клетках физиологично окисляют пероксисомы и митохондрии при сочетанном действии а-, р- и ю-оксидаз, экспрессируют и активируют сериновые киназы. Они функционально нарушают передачу сигнала от рецептора инсулина в клетку на уровне субстрата-1 и поглощение клетками глюкозы с развитием гипергликемии.
Большинство исследователей при выяснении механизма регуляции функции митохондрий в клетках уделяют значительное внимание факторам транскрипции ядра, включая ядерные респираторные факторы (NRF) -1 и -2 и митохон-дриальный фактор транскрипции (TFAF) [15]. Рецепторы активации пролиферации пероксисом-у вместе с респираторными факторами транскрипции активируют биогенез митохондрий и повышают их функциональную активность при использовании ацетил-КоА как из ЖК (вариант А), так и из пирувата (вариант Б). Ядерные факторы сочетанно регулируют митохондрии как из генома клетки-хозяина, так и из генома, сохраненного митохондриями со времени архей; вместе они вовлечены в биогенез митохондрий. В течение многих лет у пациентов с диабетом второго типа из клеток и тканей выделяются митохондрии, которые окисляют ЖК с низкой активностью.
Использование ядерной магнитной резонансной спектроскопии в форме томографии показало, что уровень исходного и стимулированного инсулином синтеза АТФ in situ (в печени) пациентов с ИР и семейной формой врожденного диабета второго типа снижены [16]. Подобные наблюдения являются основой для понимания того, что диабет второго типа (нарушение окисления ЖК и ответа на введенный инсулин) реально сопровождает снижение в митохондриях реакций окислительного фосфорилирования. Понижение синтеза АТФ в митохондриях коррелирует с нарушением толерантности к глюкозе. При этом повышение частоты инцидентов ИР, включая толерантность к глюкозе, с возрастом определяет дисфункции митохондрий, нарушение окислительного фос-форилирования и дефицит в тканях АТФ. Одновременно при ИР установлены и морфологические изменения митохондрий [17]. Это указывает на то, что деструкция и появление новых митохондрий — проявления регуляции органелл. Это подтверждает, что ИР миоцитов скелетной мускулатуры имеет в основе функциональные и морфологические дефекты митохондрий. Видится рациональным выделить форму сахарного диабета, которая обусловлена нарушением функциональной активности митохондрий.
У грызунов при наличии структурных нарушений (деле-ции) в гене PGC1a скелетных миоцитов в экспериментах in vitro формируется нарушение толерантности к глюкозе. При выбивании гена PGC16 развивается мультисимптомная патология, включая резистентность к ожирению при избыточной индукции субстратами (переедании) и изменения функции центральной нервной системы. Высказано мнение, что ген PGC16 инициирует дисфункции митохондрий при формировании ИР, регулируя процессы слияния и формирования новых митохондрий [18]. Митохондрии и макроэргический
АТФ функционально связаны с метаболизмом в клетках; потребление энергии происходит постоянно при синтезе аминокислот, ЖК, липидов [19]. Энергозависимыми являются: а) уровень содержания в клетках Са++; б) биологическая реакция апоптоза — запрограммированная гибель клеток in vivo; в) соотношение физиологичного апоптоза и афизиологичной гибели клеток по типу некроза [20]. Митохондрии и АТФ обеспечивают затраты энергии в биологической функции гомеостаза и терморегуляции; происходит это вне зависимости от конкретных реакций метаболизма. При реализации в клетках биологических функций и биологических реакций митохондрии претерпевают динамичные и морфологические изменения [21]. Митохондрии активны: они двигаются, сталкиваются, делятся, сливаются. В большинстве клеток млекопитающих митохондрии структурно связаны с эндоплазма-тической сетью, с ее канальцами.
Слияние митохондрий и фрагментация — физиологичные проявления функции органелл; это может происходить в отдельных компартментах клеток при реализации биологических функций и отдельных биологических реакций. Деление митохондрий с увеличением их количества определено собственным геномом и зависит от: а) потребности клеток в энергии; б) достаточного количества субстратов. В каждой из клеток происходит физиологичная смена отработавших орга-нелл. Приведены доказательства того, что уменьшение числа слияний митохондрий является этиологическим фактором ожирения, ИР, диабета второго типа; в определенной мере оно формирует и возрастные изменения. Генетически обусловленное нарушение процесса слияния митохондрий является причиной формирования патологии, ослабления их антиокислительной способности, формирования первичного дефицита энергии в клетках без нарушений содержания и доступности субстратов и при нейродегенеративных заболеваниях.
ЖК и митохондрии, липиды инсулинозависимых миоци-тов и активность окислительного фосфорилирования. ЖК с длинной цепью в зависимости от концентрации оказывают разное действие на функцию митохондрий; функция их как органелл зависит от количества и качества субстрата, который изменяет продукцию АТФ. Субмикромолярные количества полиненасыщенной (ПНЖК) w-6 С20:5 арахидоновой ЖК (арахи) изменяет pH-зависимую депрессию протонной помпы в дыхательной цепи митохондрий. Арахи повышает проводимость внутренней мембраны митохондрий, ее прото-пор. ЖК могут выступать в роли факторов разобщения окисления и окислительного фосфорилирования с образованием избыточного количества активных форм кислорода (АФК); последние могут проникать в цитоплазму клеток, формируя состояние окислительного стресса. Когда нагруженные Са++ митохондрии инкубируют с арахи, проницаемость внутренней мембраны повышается. Это вызывает набухание матрик-са митохондрий, разрыв внутренней мембраны и выделение из мембраны в цитоплазму фактора активации апоптоза. В митохондриях сердца арахи повышает проницаемость внутренней мембраны, образуя дополнительные протопоры. Дискуссионным остаются вопросы: а) насколько физиологичным является такое действие [22]; б) участие этого процесса в формировании ишемического и постишемического состояния кардиомиоцитов [23].
Роль митохондрий при гибели клеток по типу физиологичного апоптоза в основном уже понята. Механизмы гибели включают: а) ингибирование или разобщение окисления и окислительного фосфорилирования с формированием дефицита АТФ; б) активацию наработки активных форм О2 [24] и ингибирование физиологичного переноса электронов; в) изменение проницаемости внутренней мембраны митохондрий; г) освобождение инициаторов биологической реакции апоптоза в межклеточную среду.
biochemistry
Окисление в митохондриях ацетил-КоА из ЖК и пирувата, конкурентные взаимоотношения субстратов и цикл Рендла. Первое представление о механизмах конкурентных взаимоотношений между окислением в митохондриях ЖК и метаболитов глюкозы было сформулировано в 1963 г. [25]. На переживающих тканях диафрагмальной мышцы и при перфузии сердца показано, что: а) увеличение доступности для клеток ЖК повышает их окисление; б) одновременно ингибируется гликолиз и снижается метаболизм митохондриями пирувата. Ингибирование гликолиза продолжается и при добавлении в инкубационную среду очищенных ферментов гликолиза [26]. Усиление окисления ЖК и наработка митохондриями избытка ацетил-КоА блокируют гликолиз, образование пирувата в ПДГ комплексе. Высокое отношение АТФ/АДФ ингибирует активность гликолиза, активность фосфофруктокиназы, образование и поступление в митохондрии пирувата. Накопление в цитоплазме глюкозо-6-фосфата ингибирует активность гексокиназы. Повышение содержания глюкозы в цитоплазме ослабляет ее поглощение из межклеточной среды через филогенетически ранние ГЛЮТ1—3.
В соответствии с циклом Рендла повышение содержания в межклеточной среде НЭЖК при внутривенном введении эмульсии ФЛ сои + гепарин (интралипид) здоровым добровольцам и пациентам с сахарным диабетом второго типа ингибирует поглощение клетками глюкозы. Согласно циклу, ЖК повышают содержание в клетках цитрата и глюкозо-6-фосфата как результат ингибирования гликолиза. Если с функциональной точки зрения это цикл, то за накоплением в клетках глюкозы, блокадой ее поглощения по градиенту концентрации, повышением содержания глюкозы в цитоплазме и в плазме крови, казалось бы, последуют: а) активация гликолиза и повышение содержания лактата в цитоплазме; б) превращение лактата в пируват; в) усиление поглощения пирувата митохондриями; г) компенсаторное уменьшение поглощения клетками ЖК; д) замедление образования ацетил-КоА из КТ и ЖК. Этого, однако, не происходит.
У пациентов с ИР повышено содержание в плазме крови ЖК, нарушен процесс поглощения клетками глюкозы, и компенсаторного усиления поглощения глюкозы не происходит. Введение в вену животным и человеку КТ, индивидуальных ЖК в форме солей натрия, НЭЖК, ассоциированных с альбумином, ингибирует поглощение клетками глюкозы. Однако формирование алиментарной гипергликемии при введении в вену глюкозы не блокирует поглощение клетками ЖК, если содержание НЭЖК в плазме крови остается физиологичным. Глюкоза не ингибирует поглощение клетками ацил-КоА, а в митохондриях не замедляет образование ацетил-КоА из КТ, коротко- и длинноцепочечных ЖК.
Цикл Рендла — на самом деле не цикл; действие его не реализовано ни в филогенетически ранних инсулинонезави-симых клетках висцеральной жировой и рыхлой соединительной ткани, ни в поздних в филогенезе инсулинозависи-мых скелетных миоцитах, кардиомиоцитах, перипортальных гепатоцитах и адипоцитах. Мы полагаем, что: а) регуляцию поглощения клетками двух субстратов (ЖК и глюкозы) для наработки митохондриями АТФ рационально будет рассматривать в свете филогенетической теории общей патологии; б) необходимо убедиться в том, что поглощение инсулиноза-висимыми клетками двух субстратов (ЖК и глюкозы) регулирует филогенетически поздний инсулин. Это одна из основных функций гормона при реализации его биологической роли — обеспечения субстратами для наработки энергии биологической функции локомоции, движения за счет сокращения поперечнополосатых, скелетных миоцитов.
В течение миллионов лет, на разных стадиях филогенеза, действию инсулина предшествовала регуляция метаболизма, которую на поздних ступенях метаболизма инсулин
биохимия
изменить не может. В этом — эволюционные преимущества инсулина, но и определенная несогласованность в регуляции метаболизма: а) на аутокринном уровне (в клетках); б) в па-ракринно регулируемых сообществах клеток и органов; в) на уровне организма.
Митоптоз — запрограммированная гибель митохондрий, которые стали «опасными» в результате: а) наработки избыточного количества АФК или б) неспособности органелл инак-тивировать физиологичное количество АФК при нарушении биологической функции эндоэкологии, биологической реакции воспаления на аутокринном (клеточном) уровне. Подобные механизмы клетки реализуют тогда, когда надо избавиться от небольшого числа поврежденных митохондрий. В процесс митофагии их деградируют специфичные органеллы — автофагосомы; часть деструктивных митохондрий клетки выводят в межклеточную среду в форме телец апоптоза. Авто-фагосомы вызывают только частичную деструкция митохондрий; позднее их действие дополняется слиянием с лизосома-ми. Они завершают деструкцию митохондрий при действии протеаз, липаз и эстраз в лизосомах и пероксисомах. Если же структура митохондрий нарушена в значительной степени, клетки погибают по типу апоптоза [27].
Выделяют две основные формы митоптоза [28]; инициированы они нарушением целостности наружной или внутренней мембраны митохондрий. При первом варианте происходит набухание ее матрикса и разрыв внутренней мембраны митохондрии с выходом содержимого органелл в цитоплазму. Патология внутренней мембраны приводит к потере оптимальной плотности матрикса и деградации крист. Митохондрии имеют собственную систему защиты от АФК, которую они сформировали на ранних ступенях филогенеза: они окисляют SH-группы остатков цистеина. Вторым действием АФК является инактивация аконитазы; это фермент, который катализирует обратимую реакцию изомеризации цитат ^ изоцитрат. При низкой активности фермента ДНК генома митохондрий становятся доступной для нежелательного действия АФК.
Для внутренней мембраны митохондрий характерно необычно высокое содержание белка (75%). Это транспортные белки, ферменты, компоненты дыхательной цепи, АТФ-синтаза, а также специфичный ФЛ кардиолипин. Обмен митохондриями между цитоплазмой и матриксом обеспечивают транспортные системы; локализованы они во внутренней мембране митохондрий и переносят пируват, ортофос-фат, АТФ, АДФ, глутамат, аспартат, малат, 2-оксоглутарат, цитрат и ЖК. Для этого используются механизмы: а) пассивной диффузии; б) сопряженного транспорта; в) активированной (облегченной) диффузии; функционирует транспортер и для ионов Са++. Большая часть АТФ, образованного в матриксе митохондрий, освобождает в цитоплазму АДФ/ АТФ-транслоказа в обмен на АДФ; последний поступает в митохондрии путем активированной диффузии. Ортофосфат проникает в митохондрии вместе с протонами, независимо от транспорта АДФ/АТФ.
Два физиологичных процесса, которые постоянно протекают в митохондриях — слияние ^ деление органелл и биогенез, образование новых митохондрий, — полностью не поняты. Полагают, что это способ обмена органелл генетической информацией; такое нарушение отмечено при онкоге-незе и в патогенезе нейродегенеративных заболеваний [29]. Биогенез митохондрий сложен: а) в нем задействовано более 1000 генов; б) ~ 20% всех протеинов цитоплазм изменяют уровень экспрессии и синтеза; в) происходит это при слаженной работе двух филогенетически разных генов — раннего генома архей и позднего генома бактериальных клеток. Митохондрии стареют, и клеткам приходится постоянно их обновлять. Митохондрии чувствительны к: а) биологической
реакции стресса, биологической функции адаптации; б) развитию окислительного стресса при избытке АФК; в) нарушению биологической функции эндоэкологии, биологической реакции воспаления; г) формированию синдрома системного воспалительного ответа; д) бактериемии, воздействию липо-полисахаридов — токсинов граммотрицательных бактерий.
Липолиз в жировых клетках, освобождение НЭЖК и образование АТФ в митохондриях. Являются ли митохондрии субстрат-зависимыми? В какой мере повышение наработки митохондриями АТФ зависит от поглощения клетками ЖК в варианте А, от активации липолиза в филогенетически ранних, инсулинонезависимых висцеральных жировых клетках и филогенетически поздних, инсулинозависимых адипоцитах? Если возможности клеток поглощать НЭЖК высоки, будут ли митохондрии увеличивать наработку АТФ пропорционально количеству субстрата и какими могут быть отработанные на ступенях филогенеза механизмы обратной связи?
Физиологично, в биологической функции трофологии (питания), во время реализации биологической реакции эн-дотрофии, филогенетически ранняя регуляция липолиза в ВЖК на паракринном уровне при действии гуморальных медиаторов обеспечивает все клетки необходимым количеством НЭЖК. В биологической функции эндотрофии освобождаемые из сальника НЭЖК являются субстратами для: а) наработки клетками энергии, образования АТФ; б) синтеза липидов, которые структурированы в мембранах; в) образования гуморальных медиаторов как фактора активации тромбоцитов. Несмотря на облигатную необходимость НЭЖК, избыточное количество их в плазме крови и межклеточной среде оказывает липотоксичное действие. НЭЖК могут: а) нарушить структуру и функцию плазматической мембраны клеток; б) инициировать эндоплазматический стресс; в) повлиять на функцию митохондрий и рецепторов активации пролиферации пероксисом на мембране ядра клеток; г) повысить периферическое сопротивление кровотоку, понизить гидродинамическое давление в дистальном отделе артериального русла, в артериолах мышечного типа; д) компенсаторно, на уровне организма, увеличить АД в проксимальном его отделе, в артериях эластического типа. НЭЖК инициируют формирование биологической реакции воспаления и гибель висцеральных жировых клеток и адипоцитов по типу как запрограммированного апоптоза, так и некроза.
Эксперименты с выбиванием у мышей гена филогенетически ранней триглицеридгидролазы жировых клеток (ТГЖК), которая активирует липолиз в висцеральных жировых клетках и адипоцитах, показали, что активность липоли-за, содержание в плазме крови НЭЖК во многом определяют параметры наработки митохондриями АТФ при снабжении их субстратами по типу А (ЖК) или по типу Б (глюкоза) [30]. Зависимость между активированным поглощением клетками НЭЖК и продукцией митохондриями АТФ является позитивной и достоверной (индукция субстратом) при физиологичных значениях содержания НЭЖК. Если же концентрация НЭЖК в плазме крови и ацил-КоА в цитоплазме выше физиологичных значений, ЖК проявляют липотоксичность. При этом уже на аутокринном уровне клетки формируют компенсацию токсичного действия избытка липидов.
В отличие от гепарин-зависимой липопротеинлипазы, которая гидролизует в ТГ эфирные связи с первичными спиртовыми группами в sn-1 и sn-3, ТГЖК гидролизует эфирную связь и со вторичной спиртовой группой в sn-2 глицерина. Каждая из клеток физиологично детоксицирует НЭЖК путем этерификации со спиртом глицерином, образуя неполярные, нейтральные ТГ. Однако избыток в клетках ТГ также обладает липотоксичностью; капли ТГ формируют эндоплазмати-ческий стресс [31] и нарушают синтез в клетках протеинов. Как ВЖК, так и адипоциты, накапливая ТГ, предохраняют
клетки от: а) афизиологичного депонирования ТГ; б) эндо-плазматического стресса; в) нарушения синтеза протеинов; г) гибели по типу физиологичного апоптоза с развитием биологической реакции воспаления [32], синдрома системного воспалительного ответа.
Обоснованно полагать, что начиная с ранних ступеней филогенеза в жировых клетках функционирует несколько поколений липаз, гидролаз ТГ [33]. Менее специфичная липаза — ТГЖК; она гидролизует эфирные связи ЖК с первичными и вторичными спиртовыми группами, освобождая из ТГ глицерин и три НЭЖК [34]. Регуляция ее происходит на аутокринном уровне; кофактором липазы выступает протеин CGI-58. Он «помогает» липазе: а) преодолеть стерические особенности субстрата — ТГ; б) гидролизовать три эфирные связи вне зависимости от физико-химических особенностей этерифицированных ЖК. Филогенетически ранняя ТГЖК с низкой скоростью реакции гидролизует ТГ, диглицериды, моноглицериды, эфиры со спиртами холестерином и ретинолом. На более поздних ступенях филогенеза, при становлении системы желез внутренней секреции, биологической функции локомоции и инсулина, стала функционировать иная, гормон-зависимая липаза [35].
В условиях высокой потребности клеток в АТФ гормон-зависимая липаза с наиболее высокой константой скорости реакции гидролизует в ТГ одну ЖК в sn-1 или sn-3; с более низкой скоростью происходит гидролиз диглицеридов, еще медленнее — sn-2 моноглицеридов [36]. Чем сильнее активирован липолиз при действии гормон-зависимой липазы, тем больше остается в клетках ди- и моноглицеридов [37]. Филогенетически ранняя ТГЖК активна в клетках белой и бурой жировой ткани [38]. У мышей с выбитым геном ТГЖК накопление ТГ происходит во всех органах in vivo [39]. Снижение возможности поглощения КТ и ЖК (нарушение варианта А) из плазмы крови вынуждает клетки реализовать вариант Б, усиливать поглощение глюкозы, активировать реакции гликолиза; митохондрии при этом нарабатывают ацетил-КоА из пирувата. У knockoun мышей по ТГЖК высока толерантность к глюкозе и чувствительность к инсулину. У этих мышей ниже физиологичного содержание в плазме крови НЭЖК, ТГ, общего спирта ХС, ХС-ЛПВП и кетоновых тел ф-гидроксибутирата) как в биологической реакции эндотрофии (при отсутствии пищи), так и в реакции экзотрофии, в период после еды.
Согласно филогенетической теории общей патологии, сочетанно филогенетически ранняя ТГЖК и более поздняя гормон-зависимая липаза регулируют в плазме крови и межклеточной среде физиологичное содержание НЭЖК, которые поглощают клетки [40]; это и есть регуляция активности митохондрий субстратом. На ранних ступенях филогенеза миллионы лет активацию функцию митохондрий субстратами (КТ и НЭЖК) регулировала ТГЖК. Со временем к ней присоединилась более активная гормон-зависимая липаза; активируют ее нейросекреторные ядра гипоталамуса, аденогипофиза и гормональные медиаторы эндокринной системы. И только при становлении биологической функции локомоции, движения за счет сокращения скелетных миоцитов, началось регуляторное действие инсулина. Длительное время в процессе филогенеза гормональные медиаторы, повышая содержание НЭЖК в межклеточной среде, активировали поглощение их клетками; инсулин стал первым, который снижает поглощение клетками НЭЖК, формируя отрицательную индукцию субстратом.
В отличие от действия филогенетически ранних гуморальных медиаторов инсулин снижает «биодоступность» для клеток НЭЖК. Таким опосредованным путем на поздних ступенях филогенеза инсулин преодолел действующее со времен симбиоза архей функциональное преобладание наработки митохондриями ацетил-КоА из ЖК над образованием ацетил-КоА из пирувата. Инсулин, блокируя поглощение
biochemistry
клетками НЭЖК, активирует филогенетически ранее (диффузия по градиенту концентрации) поглощение клетками глюкозы через модифицированные глюкозные транспортеры ГЛЮТ4. Ничего нового в филогенетически ранние механизмы поглощения клетками глюкозы инсулин не внес, а только инициирует активированную диффузию.
50 лет назад Рендл высказал предложение: это не цикл. В то же время метаболиты гликолиза, как и ЖК, участвуют во взаимоотношениях ЖК и глюкозы, реализуя принцип ал-лостерической регуляции [41]. Филогенетически ранним активатором поглощения клетками ЖК является вариант А индукции субстратом, который заимствован у архей. Вариант Б индукции субстратом у бактерий основан на образовании митохондриями ацетил-КоА из пирувата, из поглощенной клетками глюкозы. Филогенетически поздним активатором поглощения клетками глюкозы является инсулин: гормон, используя принцип регуляции субстратом, ингибирует поглощение митохондриями ЖК и активирует поглощение клетками глюкозы.
Новым в действии инсулина является то, что поглощенную клетками глюкозу он старается использовать в синтезе не пальмитиновой НЖК, а олеиновой МЖК, в формировании олеиновых ТГ и их депонировании как функционально лучшего субстрата для последующего метаболизма в митохондриях и наработки АТФ инсулинозависимыми клетками [42]. На поздних ступенях филогенеза инсулин активирует поглощение глюкозы филогенетически поздними, инсулино-зависимыми клетками путем понижения «биодоступности» ЖК, которые митохондрии предпочитают использовать со времен архей. Инсулин «вынуждает» митохондрии вместо образования ацетил-КоА из ЖК нарабатывать ацетил-КоА из продуктов гликолиза, молочной и пировиноградной кислот. Эти сформировавшиеся в филогенезе особенности могут повлиять на современные представления о патогенезе, лечении и профилактике сахарного диабета и особенно ИР. Филогенетическая теория общей патологии позволяет понять: чем меньше ЖК, особенно пальмитиновой НЖК, содержится в продуктах, тем быстрее и более выраженно клетки поглощают глюкозу после приема пищи, понижая гипергликемию и предотвращая все возможные осложнения. Сахарный диабет — это в первую очередь патология метаболизма ЖК и только во вторую — метаболизма глюкозы, поэтому важно начинать лечение и профилактику с главного.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Исследование не имело спонсорской поддержки.
ЛИТЕРАТУРА (п.п. 3—22, 25—38 см. REFERENCES)
1. Титов В.Н. Филогенетическая теория общей патологии. Патогенез болезней цивилизации. Атеросклероз. М.; ИНФРА-М: 2014.
2. Титов В.Н. Клиническая биохимия гиполипидемической терапии и механизмы действия статинов. Жирные кислоты, стати-ны и сахарный диабет. Клиническая лабораторная диагностика. 2014; 59(2): 4—14.
23. Ху Л.Я., Стори К.Б., Рубцов А.М., Гончарова НЮ. Регуляция активности глюкокиназы печени гибернирующего суслика. Биохимия. 2014; 79(7): 913—9.
24. Скулачев В.П., Богачев А.В., Каспаринский Ф.О. Мембранная биоэнергетика. М.: Издательство МГУ; 2010: 275—80.
39. Титов В.Н. Первичный и вторичный атеросклероз, атероматоз и атеротромбоз. Москва—Тверь: ООО«Издательство Триада»; 2008.
Поступила 19.10.15
REFERENCES
1. Titov V.N. Phylogenetic Theory of General Pathology. The Pathogenesis of Diseases of Civilization. Atherosclerosis [Filogenetiches-
биохимия
kaya teoriya obshchey patologii. Patogenez bolezney tsivilizatsii. Ateroskleroz]. Moscow; INFRA-M: 2014. (in Russian)
2. Titov V.N. Clinical biochemistry of lipid-lowering therapy and statins mechanisms of action. Fatty acids, statins and diabetes. Klin-icheskaya laboratornaya diagnostika. 2014; 59(2): 4—14. (in Russian)
3. Lisitsyn D.M., Titov V.N. Plasma content of cholesterol and glycerol alcohols depends on the number of fatty acid double bonds in lipo-protein lipid pool. Bull. Exp. Biol. Med. 2006; 142(5): 577—80.
4. Civitarese A.E., Ravussin E. Mitochondrial energetics and insulin resistance. Endocrinology. 2008; 149(3): 950—4.
5. Martins A.R., Nachbar R.T., Goijao R., Vinolo M.A., Festuccia W.T., Lambertucci R.H. et al. Mechanisms underlying skeletal muscle insulin resistance induced by fatty acids: importance of the mitochon-drial function. Lipids Health Dis. 2012; 11: 30—40.
6. Chen L.Y., Yang B.S., Zhou L., Duan Z., Liu W., Ding M. Mitochondrial activities of citrate synthase, carnitine palmitoyltransferase-1 and cytochrome C oxidase are increased during the apoptotic process in hepatocytes of a rat model of acute liver failure. Zhonghua. Gan. Zang. Bing. Za. Zhi. 2014; 22(6): 456—61.
7. Zimmet P., Alberti K.G., Shaw J. Global and societal implications of the diabetes epidemic. Nature. 2001; 414(6865): 782—7.
8. Hall K.D., Heymsfield S.B., Kemnitz J.W., Klein S., Schoeller D.A., Speakman J.R. Energy balance and its components: implications for body weight regulation. Am. J. Clin. Nutr. 2012; 95(4): 989—94.
9. Sutherland L.N., Capozzi L.C., Turchinsky N.J., Bell R.C., Wright D.C. Time course of high-fat diet-induced reductions in adipose tissue mitochondrial proteins: potential mechanisms and the relationship to glucose intolerance. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2008; 295(5): E1076—83.
10. McGarry J.D. What if Minkowski had been ageusic? An alternative angle on diabetes. Science. 1992; 258 (5083): 766—70.
11. Sauvanet C., Duvezin-Caubet S., di Rago J.P., Rojo M. Energetic requirements and bioenergetic modulation of mitochondrial morphology and dynamics. Semin Cell Dev. Biol. 2010; 21(6): 558—65.
12. Rodgers J., Lerin C., Haas W., Gygi S.P., Spiegelman B.M., Puigserver P. Nutrient control of glucose homeostasis through a complex of PGC-1alpha and SIRT1. Nature. 2005; 434(7029): 113—8.
13. Petersen K.F., Dufour S., Shuman G.I. Decreased insulin-stimulated ATP synthesis and phosphate transport in muscle of insulin-resistant offspring of type 2 diabetic parents. PLoS Med. 2005; 2(9): e233.
14. Aflaki E., Radovic B., Chandak P.G., Kolb D., Eisenberg T., Ring J. et al. Triacylglycerol accumulation activates the mitochondrial apoptosis pathway in macrophages. J. Biol. Chem. 2011; 286(9): 7418—28.
15. Handschin C., Choi C.S., Chin S., Kim S., Kawamori D., Kurpad A.J. et al. Abnormal glucose homeostasis in skeletal muscle-specific PGC-1alpha knockout mice reveals skeletal muscle-pancreatic beta cell crosstalk. J. Clin. Invest. 2007; 117 (11): 3463—74.
16. Tsujimoto Y., Nakagawa T., Shimizu S. Mitochondrial membrane permeability transition and cell death. Biochim. Biophys. Acta. 2006; 1757: 1297—300.
17. Wirawan E., Walle L.V, Kersse K., Cornelis S., Claerhout S., Vanoverberghe I. et al. Caspase-mediated cleavage of Beclin-1 inactivates Beclin-1-induced autophagy and enhances apoptosis by promoting the release of proapoptotic factors from mitochondria. Cell. Death. Dis. 2010; 1(1): e18—23.
18. Mo D., Liu Z.W., Horvath T.L. Mitochondrial dynamics controlled by mitofusins regulate Agrp neuronal activity and diet-induced obesity. Cell. 2013; 155(1): 188—99.
19. Sato S.B., Sato S., Kawamoto J., Kurihara T. Differential roles of internal and terminal double bonds in docosahexaenoic acid: Comparative study of cytotoxicity of polyunsaturated fatty acids to HT-29 human colorectal tumor cell line. Prostaglandins Leukot. Essent. Fatty. Acids. 2011; 84(1-2): 31—7.
20. Di Paola M., Lorusso M. Interaction of free fatty acids with
mitochondria: coupling, uncoupling and permeability transition. Biochim. Biophys. Acta. 2006; 1757: 1330—7.
21. Flachs P., Rossmeisl M., Kuda O., Kopecky J. Stimulation of mitochondrial oxidative capacity in white fat independent of UCP1: a key to lean phenotype. Biochim. Biophys. Acta. 2013; 1831(5): 986—1003.
22. Randle P.J., Garland P.B., Hales C.N. The glucose fatty-acid cycle. Its role in insulin sensitivity and the metabolic disturbances of diabetes mellitus. Lancet. 1963; 1(7285): 785—9.
23. Khu L.Ya., Stori K.B., Rubtsov A.M., Goncharova N.Yu. The regulation of the activity of the liver glucokinase hibernating ground squirrels. Biokhimiya. 2014; 79(7): 913—9. (in Russian)
24. Skulachev V.P., Bogachev A.V., Kasparinskiy F.O. Membrane Bioen-ergetics [Membrannaya bioenergetika]. Moscow: Izdatel'stvo MGU; 2010: 275—80. (in Russian)
25. Green D.R., Galluzzi L., Kroemer G. Cell biology. Metabolic control of cell death. Science. 2014; 345(6203): 1250256.
26. Frank S. Dysregulation of mitochondrial fusion and fission: an emerging concept in neurodegeneration. Acta. Neuropathol. 2006; 111: 93—100.
27. Haemmerle G., Lass A., Zimmermann R., Gorkiewicz G., Meyer C., Rozman J. et al. Defective lipolysis and altered energy metabolism in mice lacking adipose triglyceride lipase. Science. 2006; 312 (5774): 734—7.
28. Fuchs C.D., Claudel T., Kumari P., Haemmerle G., Pollheimer M.J., Stojakovic T. et al. Absence of adipose triglyceride lipase protects from hepatic endoplasmic reticulum stress in mice. Hepatology. 2012; 56(1): 270—80.
29. Rindler P.M., Crewe C.L., Fernandes J., Kinter M., Szweda L.I. Redox regulation of insulin sensitivity due to enhanced fatty acid utilization in the mitochondria. Am. J. Physiol. Heart. Circ. Physiol. 2013; 305(5): H634—43.
30. Xie C., Wang Z.C., Liu X. The common biological basis for common complex diseases: evidence from lipoprotein lipase gene. Eur. J. Hum. Genet. 2010; 18: 3—7.
31. Eichmann N.O., Kumari M., Haas J.T., Farese R.V. Jr., Zimmermann R., Lass A. et al. Studies on the substrate and stereo/regioselectivity of adipose triglyceride lipase, hormone-sensitive lipase, and diacylg-lycerol-O-acyltransferases. J. Biol. Chem. 2012; 287(49): 446—57.
32. Sekiya M., Yahagi N., Tamura Y., Okazaki H., Igarashi M., Ohta K. et al. Hormone-sensitive lipase deficiency suppresses insulin secretion from pancreatic islets of Lep ob/ob mice. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2009; 387(3): 511—5.
33. Zimmermann R., Strauss J.G., Haemmerle G., Schoiswohl G., Birn-er-Gruenberger R., Riederer M. et al. Fat mobilization in adipose tissue is promoted by adipose triglyceride lipase. Science. 2004; 306(5700): 1383—6.
34. Kratky D., Obrowsky S., Kolb D., Radovic B. Pleiotropic regulation of mitochondrial function by adipose triglyceride lipase-mediated li-polysis. Biochimie. 2014; 96: 106—12.
35. Zechner R., Kienesberger P.C., Haemmerle G., Zimmermann R., Lass A. Adipose triglyceride lipase and the lipolytic catabolism of cellular fat stores. J. Lipid Res. 2009; 50(1): 3—21.
36. Haemmerle G., Moustafa T., Woelkart G., B@ttner S., Schmidt A., van de Weijer T. et al. ATGL-mediated fat catabolism regulates cardiac mitochondrial function via PPAR-a and PGC-1. Nat. Med. 2011; 17(9): 1076—85.
37. Schoiswohi G., Schweiger M., Schreiber R., Gorkiewicz G., Preiss-Landl K., Taschler U. et al. Adipose triglyceride lipase plays a key role in the supply of the working muscle with fatty acids. J. Lipid Res. 2010; 51(3): 490—9.
38. Hue L., Taegtmeyer H. The Randle cycle revisited: a new head for an old hat. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2009; 297: E578—91.
39. Titov V.N. Primary and Secondary Atherosclerosis, Atheromatosis and Atherothrombosis [Pervichnyy i vtorichnyy ateroskleroz, atero-matoz i aterotromboz]. Moskva—Tver': OOO«Izdatel'stvo Triada»; 2008. (in Russian)
