CC BY
767
КЛИНИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ ДИАГНОСТИКА, № 2, 2012
ЗАОЧНАЯ АКАДЕМИЯ ПОСЛЕДИПЛОМНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
© В. Н. ТИТОВ, 2012 УДК 577.1
В. Н. Титов
функция митохондрий, КАрнитин, Коэнзим-А, жирные Кислоты, глюкоза, цикл рендла и инсулин (лекция)
Российский кардиологический научно-производственный комплекс Минздравсоцразвития РФ, Москва
В биологической функции трофологии, функции питания, происходит чередование биологических реакций экзотрофии (постпрандиальная гипергликемия и гиперлипидемия) и периодов отсутствия пищи - биологической реакции эндотрофии. Действие инсулина (ИНС) реализуется только в биологической реакции экзотрофии. Функцией филогенетически ранних митохондрий в биологической реакции экзотрофии руководит филогенетически поздний ИНС. В биологической реакции экзотрофии клетки активированно поглощают глюкозу (ГЛЮ) при действии ИНС через глюкозные транспортеры-4 и активно поглощают жирные кислоты (ЖК) в форме неполярных триглицеридов в олеиновых липопротеинах очень низкой плотности путем апоЕ/В-100-рецепторного эндоцитоза; эти механизмы сформировались на поздних ступенях филогенеза при становлении биологической функции локомоции, функции движения. В биологической реакции эндотрофии клетки поглощают ГЛЮ пассивно при действии гликемии в межклеточной среде через глюкозные транспортеры и пассивно (по градиенту концентрации) поглощают ЖК в полярной форме при пассивной диффузии через плазматическую мембрану; эти реакции отработаны на ранних ступенях филогенеза при становлении биологической функции гомеостаза. Синдром резистентности к ИНС формируется только в биологической реакции экзотрофии, но нарушения могут оставаться и во время реализации биологической реакции эндотрофии. В биологической реакции экзотрофии ИНС "решает": а) ГЛЮ депонировать можно ограниченно, расходовать (окислять в митохондриях) в первую очередь, б) ЖК складировать и хранить для реализации в биологической функции локомоции. ИНС в биологической реакции экзотрофии "старается" как можно быстрее и полно использовать ГЛЮ и сохранить in vivo как можно больше ЖК (пальм-н-ЖК и олеиновую моно-ЖК) как субстрат для реализации далее биологической функции локомоции. ИНС сводит к минимуму содержание в цитозоле а) кетоновых тел-метаболитов С-масляной ЖК, б) короткоцепочечных C-C -ЖК и C16: пальмитиновой ЖК, единственно для которой в митохондриях имеется специфичный транспортер - карнитин-пальмитоилацилтрансфераза, и "вынуждает» митохондрии окислять ГЛЮ. Основная биологическая роль ИНС - обеспечение субстратами энергии биологической функции локомоции.
Ключевые слова: митохондрии, фосфолипиды, кардиолипин, жирные кислоты
V N. Titov
THE FUNCTION OF MITOCHONDRION, CARNITINE, COENZYME-A, FAT ACIDS, GLUCOSE, THE RANDLE Cycle And INsuLIN: a LECTuRE
In the function of feeding as biologic function of trophology, occurs the interchange of biologic reactions of exotrophy (postprandial hyperglycemia and hyperlipidemia) and periods of food absence (biologic reaction of endotrophy). The action of insulin is realized in the biologic reaction of exotrophy only. The phylogenetic late insulin manages the function ofphylogenetic early mitochondrion in the biologic reaction of exotrophy. In the biologic reaction of exotrophy, the cells activatedly absorb glucose under effect of insulin through glucose carriers-4 and actively absorb fat acids in the form of nonpolar triglycerides in olein lipoproteins of very low density by force of receptor endocytosis. These mechanisms formed on late stages ofphylogenesis in the becoming of biologic function of locomotion - the function of movement. In the biologic reaction of endotrophy the cells absorb passively glucose under effect of glycaemia in intercellular medium through glucose carriers and passively (on gradient of concentration) absorb the fat acids in polar form under passive diffusion through plasmatic membrane. These reactions are worked out on the early stages of phylogenesis in the becoming of biologic function of homeostasis. The syndrome of resistance to insulin is formed only in biologic reaction of exotrophy but the disorders can persist and during realization of biologic reaction of endotrophy. In the biologic reaction of exotrophy insulin "decides»: a) glucose can be deposited only in a limited way and can be consumed (oxidized in mitochondrion) in the first instance; b) fat acids can be stored and kept to be used in biologic function of locomotion. In the biologic reaction of exotrophy insulin "endeavors» as fast and full as possible use glucose and preserve in vivo as much as possible of fat acids as a substratum for further realization of biologic function of locomotion. Insulin minimizes in cytosol the content of: a) ketone bodies - metabolites of C4 butyric fat acid and b) short chained C6-C10 fat acids and C16 palmitic acid for which in mitochondrion exists specific carrier - carnitin-palmitoilacyltransferase and "forces» mitochondrion to oxidize glucose. The main biologic role of insulin is to provide the biologic function of locomotion with substratum of energy.
Key words: mitochondrion, phospholipids, cardiolipin, fat acid
Для корреспонденции:
Титов Владимир Николаевич, д-р мед. наук, проф., руководитель
лаб. клин. биохимии липидов
Адрес: 122551, Москва, ул. 3-я Черепковская, 15а.
Телефон: 414-63-10.
E-mail:[email protected]
32
ЗАОЧНАЯ АКАДЕМИЯ ПОСЛЕДИПЛОМНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Митохондрии (от греч. цтго<; - нить и %ov5po<; - зёрнышко, крупинка) - органеллы, которые имеют в цитозоле все ядерные клетки - эукариоты; они обеспечивают синтез АТФ - макроэргическое соединение, источник химической энергии in vivo. Эффективность функции митохондрий высока; они (хондриосомы), по сути, - "энергетические станции" клетки. При электронной микроскопии в митохондриях можно видеть много мембранных крист и наличие матрикса. В соответствии с теорией симбиогенеза (формирование симбиоза), митохондрии появились в клетках в результате того, что ранние прокариоты, которые не имели ядра, не могли использовать 02 с целью образования энергии; для этого они "колонизировали» органеллы архибактерий, которые уже могли это делать. В процессе развития симбиоза гены архибактерий оказались в ядре эукариот; с этого момента митохондрии перестали быть самостоятельными органеллами, хотя и располагают собственной неспирализованной ДНК, которая не имеет телосом. Хотя геном митохондрий кодирует синтез белков и ферментов, необходимую им массу протеинов синтезируют рибосомы клетки и переносчики доставляют белки в митохондрии.
Число митохондрий в клетке непостоянно; их особенно много в клетках, в которых велика потребность в энергии. Это цилиндрические органеллы размерами от 1 до 70 мкм занимают 10-20% объема клеток; поперечный размер митохондрий 1 мкм. В зависимости от того, в каких органеллах повышена потребность в энергии, митохондрии перемещаются по цитоплазме к зоне наибольшего потребления АТФ, используя структуры цитоскелетона эукариот. Как альтернатива небольшим митохондриям, существуют и длинные, разветвленные органеллы, но чаще у одноклеточных. Вариантом такой системы является объединение множества митохондрий (митохондрион), что обеспечивает кооперацию их функций. Наиболее сложно это устроено в скелетных мышцах млекопитающих, где большие, разветвленные митохондрии связаны межмитохондриальными контактами. Особенно много таких контактов имеют митохондрии клеток синцития миокарда, где они связаны в согласованную кооперативную систему.
Оболочка митохондрии состоит из двух мембран; между ними располагается замкнутое межмембранное пространство шириной 10-20 нм. На некоторых участках наружная и внутренняя мембраны слипаются, формируя участки, через которые в матрикс митохондрии
поступают белки, синтезированные в цитозоле, вместе с белками переносчиками. Ограниченное внутренней мембраной пространство является матриксом. Он содержит большую часть ферментов, которые определяют активность цикла Кребса, здесь происходит окисление ЖК, располагаются митохондриальные ДНК, РНК и рибосомы. Внутренняя мембрана образует гребневидные складки - кристы, что увеличивает площадь ее поверхности. Специфичным для фосфолипидов (ФЛ) внутренней мембраны митохондрий является присутствие в ней кардиолипина, который содержит две ортофосфорные группы и четыре цепи жирных кислот (ЖК); это делает мембрану непроницаемой для протонов Н+. Второй особенностью внутренней мембраны митохондрий является высокое содержание белка (до 70% по массе); это транспортеры, ферменты дыхательной цепи, а также крупные АТФ-синтетазные комплексы.
Наружная мембрана отделяет митохондрии от цитоплазмы, она замкнута, и поверхность ее ровная. Наружная мембрана имеет мелкие отверстия, которые сформированы Р-складчатым каналообразующим белком по-рином (филогенетически ранние мембранные каналы), через которые проникают ионы и молекулы массой до 5 кД. Кроме того, в наружной мембране присутствуют ферменты: монооксигеназы, ацил-КоА-синтетазы и фосфолипазы А2. На внутренней стороне мембраны, которая обращена к матриксу, располагаются молекулы АТФ-синтетазы; при прохождении потока протонов происходит синтез АТФ. В основании структур, которые заполняют мембрану, располагаются компоненты дыхательной цепи. Наружная и внутренняя мембраны в некоторых местах соприкасаются; здесь располагаются специфичные белки-рецепторы, которые переносят белки, синтезированные в рибосомах, в матрикс митохондрии. В матриксе находятся ферментные системы окисления пирувата и Р-окисления ЖК, а также цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса). ДНК митохондрий представлена замкнутой кольцевой двуспиральной молекулой, которая приблизительно в 105 раз меньше ДНК, локализованной в ядре. Митохондрии имеют собственный генетический аппарат и собственную систему синтеза белка (рис. 1).
Образование АТФ - универсальной формы химической энергии в клетке - происходит двумя путями: а) в результате фосфорилирования глюкозы (ГЛЮ) в цитозоле в сопряженных реакциях гликолиза и б) в процессе фосфорилирования на внутренней мембране митохондрий, что связано с использованием энергии трансмембранного электрохимического градиента протонов;
Рис. 1. Строение митохондрий эукариотических клеток.
33
КЛИНИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ ДИАГНОСТИКА, № 2, 2012
Ацетил-СоА (С.)
Оксалоцитат (С4)
3 АТФ
Яблочная кислота (С4) А
®
Лимонная кислота (Сб)
I®
V
Цис-аконитовая кислота (С6)
I®
Изолимонная кислота (С6) [^ЗАТФ а-кетоглутаровая кислота (С5) [^^ЗАТФ Сукцинил-СоА (С4)
1 АТФ
Янтарная кислота (С4)
Рис. 2. Цикл Кребса (цикл лимонной кислоты).
1 - цитратсинтаза; 2 - аконитат гидролаза; 3 - изоцитратдегидрогеназа; 4 - а-кетоглютаратдегидрогеназный комплекс; 5 - сукцинил-КоА-синтаза; 6 - сукцинатдегидрогеназа; 7 - фумаратдегидрогеназа (фумараза); 8 -малатдегидрогеназа. Горизонтальная линия сверху - освобождение ацетата из ацетил-КоА при действии тиолазы и образование КоА-SH.
митохондрии реализуют оба эти пути. Своеобразие митохондрий как энергообразующих органелл эукариотических клеток определяет второй путь образования АТФ. По сути это превращение химической энергии восстанавливающих эквивалентов НАДН в электрохимический градиент протонов по обе стороны внутренней мембраны митохондрий. Это приводит в действие мембранно-связанную АТФ-синтетазу и завершает образование макроэргической связи в АТФ.
Образование энергии в митохондриях можно разделить на четыре основные стадии, две первые протекают в матриксе, а две последние - на кристах митохондрий:
Пи ру ват
Жирные
кислоты
Рис. 3. Биохимические и физико-химические реакции в матриксе и во внутренней мембране митохондрий при окислении пирувата и ЖК.
- превращение поступивших из цитоплазмы в митохондрии пирувата и ЖК в форме ацил-КоА в активированную, неполярную форму вначале ацил-КоА и далее ацетил-КоА;
- окисление ацетил-КоА в цикле Кребса с образованием НАДН;
- перенос электронов с НАДН на 02 по дыхательной цепи;
- образование АТФ в результате функции мембранной АТФ-синтетазы.
Дальнейшее формирование энергии в митохондрии проходят на кристах и связаны с переносом электронов от НАДН к 02. В соответствии с тем, что потребление 02 как окислителя обычно называют "внутриклеточным дыханием», электронно-транспортную цепь ферментов, которые последовательно переносят электронов от НАДН к 02, именуют "дыхательной цепью». Превращение энергии окисления осуществляют ферменты, которые располагаются на кристах митохондрий и формируют векторный (направленный) перенос H+ из матрикса митохондрии в межмембранное пространство. В этом состоит принципиальное отличие работы оксидоредуктаз дыхательной цепи от функции ферментов, которые катализируют реакции в гомогенном (изотропном) растворе, где о направленном перемещении вопрос не стоит. В дыхательной цепи митохондрий функционируют в мембране липофильные молекулы убихинона, а также небольшие (мол. масса 13 кД) водорастворимые белки, которые содержат ковалентно связанный гем, "цитохромы с».
В цитозоле в 10 отдельных (сопряженных) ферментативных реакциях С6-молекула ГЛЮ частично окисляется до двух С3-молекул пирувата с образованием двух молекул АТФ. Затем пируват-белки переносят из цитозоля через наружную и внутреннюю мембраны в матрикс митохондрий, где он превращается в ацетил-КоА по общему пути ГЛЮ ^ пировиноградная кислота ^ уксусная кислота (ацетат) ^ ацетил-КоА. Процесс катализирует пируватдегидрогеназный, многоферментный комплекс.
ЖК, которые образуются при гидролизе ТГ в липидных каплях цитозоля или поступают в него в форме неэтерифици-рованных ЖК (НЭЖК) из межклеточной среды, при взаимодействии с коэнзимом А-SH образуют неполярные тиоэфиры ЖК - ацил-КоА. Внутренняя мембрана митохондрий для них непроницаема. Из всех ацил-КоА (активированных ЖК) только пальмитоил-КоА может быть перенесен через внутреннюю мембрану в матрикс митохондрий, поскольку только для него мембрана имеет специфичный транспортер карнитинпальмитоилацил-трансферазу. Действующим началом его (транслоказы) является карнитин - производное С4-масляной ЖК. Для переноса через внутреннюю мембрану митохондрий происходит переэтерифи-кация пальм-н-ЖК из пальмитоил-КоА в карнитин-пальмитоил, который далее карнитин-пальмитоилацилтрансфераза переносит в матрикс митохондрий. В матриксе карнитин-пальмитоил вновь превращается в пальмитоил-КоА.
Можно полагать, что реакции пе-риэтерификации пальмитол-КоА ^ карнитин-пальмитоил ^ пальмитоил-
34
ЗАОЧНАЯ АКАДЕМИЯ ПОСЛЕДИПЛОМНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
н3сх
/
н3с
СОО'
Рис. 4. Структурная форма L-карнитина.
КоА происходят потому, что митохондрии изначально являлись органеллами иных клеток, намного более древних, чем эукариоты, в которых - в окислении ЖК и наработке АТФ были задействованы карнитиновые эфиры ЖК и длиноцепочечной ЖК, которую окисляли митохондрии, была только пальм-н-ЖК; возможно на ранних ступенях филогенеза это была единственная длинная ЖК. Согласно описанным нами биологическим принципам преемственности и субординации, филогенетически более поздние биохимические процессы не в силах изменить то, что сформировано на более ранних ступенях филогенеза: они могут ранее сделанное только совершенствовать. Поэтому если прокариоты "колонизировали" митохондрии, которые единственные умели синтезировать АТФ, то к особенностям их биохимических процессов всем клеткам пришлось приспособиться. Важным, по нашему мнению, является и то, что перенос пальм-н-ЖК через внутреннюю мембрану митохондрий инициирует молекула карнитина, который, как и кетоновые тела, является производным С4-масляной ЖК.
В митохондриях ацил-КоА подвергается Р-окислению с образованием ацетил-КоА, при этом в матриксе формируется общий пул ацетил-КоА как из пирувата (из ГЛЮ), так и из ЖК. На следующем этапе также в матриксе, образованный из ацил-КоА и пирувата пул ацетил-КоА окисляется в цикле Кребса (рис. 2). Ацетил-КоА взаимодействует с оксалацетатом (щавелевоуксусная дикарбоновая кислота) с образованием трикарбоновой лимонной кислоты; происходит это только в аэробных условиях. Последняя в цикле биохимических превращений опять превращается в оксалацетат, а молекула ацетата окисляется до Н20 и С02. При этом образуются АТФ, а также НАДН - высокоэнергетическое промежуточное соединение, которое легко отдает свой электрон в цепь их переноса на кристах митохондрий.
Завершающим в митохондриях является образование АТФ; это осуществляет встроенный во внутреннюю мембрану макромолекулярный комплекс с мол. массой 500 кД. Это - АТФ-синтетаза, она и катализирует синтез АТФ путем конверсии энергии трансмембранного электрохимического градиента Н+ в энергию макроэргиче-ской связи АТФ. В молекуле АТФ-синтетазы выделены две субъединицы белка, которые можно уподобить деталям электрического мотора: ротору и статору. "Статор» неподвижен относительно мембраны. Подвижный в этой конструкции "ротор» и каталитические центры, которые преобразуют АДФ и ион ортофосфата в молекулу АТФ. Движущей силой для работы АТФ-синтетазы является протонный потенциал, создаваемый на внутренней мембране митохондрий. Сила, приводящая в движение "ротор» АТФ-синтетазы, возникает при достижении разности потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны митохондрий более 220 мВ (рис. 3).
Работа АТФ-синтетазы включает конформационные изменения формы ее молекулы - "механическое» движение ее частей, что позволяет говорить о "вращательном катализе». АТФ поступает в цитоплазму, где клетка расходует его при совершении энергозависимых реакций. Освобождение осуществляет специфичный белок мембраны митохондрий - АТФ/АДФ-транслоказа, который обменивает АТФ на цитоплазматический АДФ;
это позволяет поддерживать пул АДФ в матриксе митохондрий. Мутации в ДНК митохондрий наследуются почти исключительно по материнской линии. Каждая митохондрия имеет несколько участков нуклеотидов в ДНК, которые идентичны во всех митохондриях (копии митохондриальных ДНК); это важно для митохондрий, которые не могут восстанавливать структуру ДНК после повреждений. Мутации в структуре закольцованной ДНК при отсутствии теломеров являются причиной наследственных заболеваний. Все это можно расценивать так, что генетический аппарат, как и сами митохондрии, филогенетически более древний, чем самые первичные эукариоты.
Окисление жирных кислот в митохондриях: роль карнитина и КоА-SH. Окисление ЖК в митохондриях эукариот описано в начале прошлого века; процесс представлен как четырехэтапный, локализованный в матриксе митохондрий в контакте с внутренней мембраной. Окисление ЖК в митохондриях формирует физиологичный ответ на а) голодание - нарушение биологической функции трофологии, биологической реакции экзотро-фии; б) нарушение биологической функции гомеостаза; в) формирование биологической функции адаптации и биологической реакции воспаления при действии инфекционных патогенов; г) активацию биологической функции адаптации и д) биологическую функцию локомоции
- усиление мышечной активности. ЖК - основной субстрат для наработки энергии в митохондриях всех клеток, за счет Р-окисления ЖК в митохондриях образуется тепло и в бурой жировой ткани. Филогенетически древняя и специфичная по составу ФЛ внутренняя мембрана митохондрий обладает низкой проницаемостью. Она свободно пропускает а) метаболиты С4-масляной кислоты (кетоновые тела и карнитин), б) короткоцепочечные С6-С10-ЖК и С16:0 пальмитиновую насыщенную ЖК (пальм-н-ЖК); только для нее имеется специфичный транспортер - карнитин-пальмитоилацилтрансфераза. Действующее начало его - метаболит С4-масляной ЖК
- L-карнитин (КАР).
КАР (гидрокситриметиламиномасляная ЖК) задействована в переносе пальм-н-ЖК через внутреннюю мембрану в матрикс митохондрий. Высокую концентрацию КАР в клетках (в 50 раз выше, чем в плазме крови) поддерживает система активного его транспорта. В скелетной и сердечной мышцах имеется специфичный переносчик КАР: в печени же экспрессирован несколько иной белок для КАР. L-карнитин - вторичный гидрофобный спирт открыл в России А. С. Гулевич в 1927 г. и назвал его от латинского слова "camis" - мясо. КАР определяет окисление ЖК в гепатоцитах и поперечнополосатых миоцитах и синцитии миокарда. Синтез КАР в клетках происходит из незаменимых (эссенциальных, ЭС) аминокислот - лизина и метионина. Образование его зависит от условий биологической реакции экзо-трофии; большую часть КАР синтезируют скелетные миоциты. Скорость формирования мышечной ткани определена в первую очередь возможностью синтеза КАР. Другие клетки поглощают КАР из межклеточной среды. L-карнитин задействован в Р-окислении ЖК в митохондриях. Во время сна и физической активности (биологическая реакция эндотрофии) ЖК при действии КАР являются единственным субстратом для образования более 80% потребляемого in vivo АТФ. Основная функция КАР - перенос пальм-н-ЖК через внутреннюю мембрану митохондрий при действии карнитин-пальмитоилацилтрансферазы. Гепатоциты в большей степени, но и каждая клетка тоже, способны при
35
КЛИНИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ ДИАГНОСТИКА, № 2, 2012
Р-окислении С4-масляной ЖК образовывать метаболиты - кетоновые тела: Р-гидроксибутират и ацетоацетат, которые в межклеточной среде могут быть субстратами для окисления в митохондриях клеток с целью наработки АТФ в экстрапеченочных тканях, в частности в нейронах мозга.
В отсутствии L-КАР внутренняя мембрана митохондрий непроницаема как для НЭЖК, так и для их активированной неполярной формы ЖК - ацил-КоА. КАР определяет и величину отношения ацил-КоА/ацетил-КоА в цитозоле клеток. Во время интенсивной физической нагрузки увеличивается скорость образования в митохондриях ацетил-КоА из ацил-КоА и усиление окисления его в цикле Кребса и дыхательной цепи. При избытке в матриксе ацетил-КоА из двух его молекул образуется ацетоацетил-КоА и из трех молекул ацетил-КоА - малонил-КоА. Избыток физиологичного ацетоацетил-КоА - макроэргического субстрата выходит в цитозоль и в межклеточную среду (рис. 4). Он подавляет активность комплекса пируватдегидрогеназы в цитозоле, а образующийся из пирувата ацетил-КоА превращается в лактат. Образование из трех молекул ацетил-КоА малонил-КоА в матриксе ингибирует транспортер карнитин-пальмитоилацилтрансферазу, поступление ацил-КоА в митохондрии, Р-окисление и наработку ацетил-КоА из ацил-КоА.
На наружной внутренней мембране митохондрий при действии АТФ-зависимых синтетаз происходит переэтерификация НЭЖК из эфирной связи с КоА-SH в эфирную связь с КАР. После преодоления мембраны и вхождения в матрикс митохондрий происходит обратная переэтерификация ацила из эфира с карнитином в эфир с КоА-SH. Карнитиновые эфиры переносит через внутреннюю мембрану митохондрий карнитин-ацил-КАР-транслоказа в обмен на выведение из матрикса митохондрий свободного КАР. И наконец, в самом матриксе митохондрий карнитинпальмитоилтрансфераза переносит ацильные остатки ЖК от КАР опять к КоА-SH, в результате чего вновь образуются ацил-КоА-тиоэфры. Таким образом, перед внутренней мембраной митохондрий НЭЖК представлена в неполярной форме ацил-КоА, мембрану она преодолевает в неполярной форме ацил-карнитина при действии специфичной транслоказы, а оказавшись в матриксе митохондрий опять переэтери-фицируется в неполярную форму ацил-КоА. Средне- и короткоцепочечные ЖК (длина цепи менее С10), как и кетоновые тела, преодолевают внутреннюю мембрану митохондрий без участия карнитина.
КАР подавляет накопление в клетках лактата, увеличивая работоспособность при интенсивных физических нагрузках. Скелетные миоциты долго рассматривали как основное место образования лактата, главной причины мышечного утомления в условиях недостатка 02. Уже ясно, что скелетные миоциты имеют значение не только в процессе образования лактата, но и в его утилизации. Это привлекло интерес к лактату как субстрату для наработки энергии и в иных клетках. Использование радиоактивно меченного лактата показало, что миоциты интенсивно извлекают лактат из межклеточной среды (внутрисосудистого русла) и активно его окисляют. В некоторых физиологичных условиях (активация функции локомоции, состояние ишемии, биологическая реакция стресса) увеличение активности пируватдегидрогеназ-ного комплекса, интенсивность гидролиза триглицеридов (ТГ) и окисления ЖК может превысить окисление ацил-КоА в цикле Кребса; это сопровождается накоплением ацетил-КоА и ацильных производных КоА-SH, в
но
Рис. 5. Кофермент А (КоА) - фактор перевода ЖК и их метаболитов в неполярную форму ацил- и ацетил-КоА и участия в биохимических реакциях в цитозоле клеток и матриксе митохондрий.
частности малонил-КоА. Отношение ацетилКоА/КоА-SH является регулятором окисления пирувата и ЖК.
Основными источниками L-КАР являются мясомолочные продукты. Зерновые, фрукты и овощи содержат L-КАР в небольших количествах. В пище человека содержится в среднем 5-100 мг L-КАР в сутки. Всасывание экзогенного L- и D-КАР в желудочно-кишечном тракте клетками эпителия происходит как при помощи белков-переносчиков, так и путем пассивного поглощения. При приеме per os максимальная концентрация КАР в плазме крови наступает через 3,5 ч. Биодоступность L-КАР как биологической добавки составляет 54-87% и зависит от дозы. Поглощение синтетического L-КАР в форме пищевых добавок и лекарственных препаратов (0,5-6,0 г/сут) происходит главным образом пассивно; при этом биодоступность такого L-КАР составляет только 14-18% от дозы. Оставшееся количество L-КАР утилизируют микроорганизмы в толстом кишечнике; период полувыведения L-КАР - 15 ч.
В экспериментах in vitro ацетил-карнитин в процессе поглощения частично гидролизуется в энтероцитах. In vivo после введения с пищей ацетил-КАР в дозе 2 г/сут концентрация его в крови увеличилась на 40%, указывая, что ацетил-КАР по крайней мере частично поглощают энтероциты без гидролиза. Транспортером, который лимитирует скорость поглощения митохондриями ЖК, является карнитинпальмитоилацилтрансфераза; аллостерическим регулятором транспортера является малонил-КоА. При усилении поглощения ИНС-зависимыми клетками ГЛЮ, повышении концентрации малонил-КоА в цитозоле, полагают, происходит ингибирование субстратом активности карнитинпальмитои-лацилтрансферазы. При этом уменьшение поступления ЖК в матриксе вынуждает митохондрии переключиться на окисление ГЛЮ, при усилении активности ИНС-зависимого глюкозного транспортера ГЛЮТ4. Карни-тинпальмитоилацилтрансфераза функционирует в двух изоформах - печеночной и мышечной.
После однократного внутривенного введения в дозе 0,5 г ацетил-карнитин быстро, но не полностью гидролизуется, а концентрация ацетил-карнитина и L-КАР возвращается к исходным значениям в течение 12 ч. Специфичные транспортные белки для L-КАР функционируют в сердечной, скелетных мышцах, тестикулах, печени и почках. Эти белки осуществляют перенос его из межклеточной среды в цитозоль клеток, формируя содержание L-КАР в клетках в десятки раз выше. Стерический (оптический) изомер D-КАР, а также ацетил-карнитин конкурируют с внеклеточным L-КАР за те же связующие домены белков-переносчиков. Снижение концентрации L-КАР в миокарде и скелетной мышце происходит через 4 дня введения D-КАР.
36
ЗАОЧНАЯ АКАДЕМИЯ ПОСЛЕДИПЛОМНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Цитоплазма
Мембрана митохондрий
О
R—C-SKoA KoASH
Рис. 6. Схема трех этапов переноса пальм-н-ЖК через внутреннюю мембрану митохондрий.
Выводят L-КАР паракринные сообщества почек путем биологической реакции экскреции; почки являются основным органом в биологической реакции гомеостаза и эндоэкологии. Экскреция КАР происходит в L-форме и до 40% в виде ацетил-карнитина. Одновременно D-КАР частично превращается в токсичный ацетонил-триметиламмоний или выводится с мочой в виде D-КАР. В пределах физиологичных концентраций реабсорбция L-КАР в проксимальных канальцах составляет 90-99% (клиренс 1-3 мл/мин). Если концентрация циркулирующего в крови L-КАР уменьшается, интенсивность реабсорбции в почках возрастает, а клиренс соответственно уменьшается; это способствует поддержанию гомеостаза L-КАР. D-КАР конкурирует с L-КАР в местах реабсорбции в проксимальных почечных канальцах. Транспорт L-КАР в везикулах мембраны щеточной каемки эпителия почек крыс блокируют как структурные аналоги или производные L-КАР (ацетил-карнитин), так и его оптический D-изомер.
Дефицит L-КАР вместе с подавлением Р-окисления ЖК в митохондриях приводит прежде всего к миопатии и функциональным нарушениям сердечно-сосудистой системы: понижению гидродинамического давления в левом желудочке, уменьшению сердечного выброса к сократимости миокарда. При ишемической болезни сердца и гипоксии в цитозоле миоцитов миокарда накапливаются длинноцепочечные ЖК в форме ацил-КоА. Они нарушают оксигенацию миокарда и понижают образование АТФ. Задержка синтеза АТФ, так же как и внутриклеточное накопление длинноцепочечных ЖК в форме ацил-КоА, может зависеть от снижения поступления в клетки L-КАР. На изолированном сердце свиньи показано, что L-КАР на фоне гипоксии миокарда блокирует токсическое действие НЭЖК. При этом L-изомер кар-нитина более выраженно нормализует биохимические и физиологичные параметры миокарда, нежели рацемическая смесь D- и L-КАР. Это результаты подтверждены и клиническими наблюдениями у пациентов с ишемической болезнью сердца. Оценено влияние изосорбитнитрата, D^-КАР и L-КАР на частоту приступов стенокардии и потребление нитроглицерина у пациентов с ишемической болезнью сердца. Как и ожидали, ежедневный прием изосорбитнитрата уменьшал число приступов стенокардии и потребление нитроглицерина. Дополнительное введение L-КАР пролонгировало симптоматическое улучшение. Рацемическая же смесь КАР по сравнению с L-КАР увеличивала число приступов стенокардии и потребление нитроглицерина. Прием L-КАР повышает толерантность больных стенокардией к физической нагрузке, а D^-КАР, напротив, резко ее понижает. Изменение пространственного расположе-
Матрикс ния функциональных групп в молекуле биологически активных веществ имеет выраженные последствия. L-КАР является ЭС, поскольку выполняет роль транспортера ЖК в митохондрии. Напомним, что ЖК в форме тиоэфиров, ацил-КоА также не могут преодолеть внутреннюю мембрану митохондрий, пока при реакции переэтерификации не превратятся в эфиры с КАР, в ацилКАР. Дефицит L-КАР может понизить содержание ЖК в матриксе митохондрий и уменьшить синтез АТФ.
В цитозоле клеток и матриксе митохондрий ЖК находятся в активной, неполярной форме тиоэфиров с ко-энзимом А, КоА-SH. Молекула КоА-SH, которая образует тиоэфиры (-C-S-C-) с ЖК разной длины, состоит из остатков адениловой кислоты, пирофосфатных групп, остатка пантотеновой кислоты (витамин В5) и Р-меркаптоэтанола (рис. 5). Пантотеновая кислота - это [D(+)a, g-диокси-Ь, b-диметилбутрил-Ь-аланин]. Стоит обратить внимание, что и пантотеновая кислота, как и L-карнитин, содержит в составе С4-масляную ЖК, т. е. является ее производной. Суточная потребность человека в пантотеновой кислоте (5-10 мг) удовлетворяется при смшанном питании; синтезирует ее и флора кишечника. КоА определяет течение биохимических реакций, которые лежат в основе окисления и синтеза ЖК, биосинтеза липидов, окислительных превращений продуктов распада углеводов. В биохимических реакциях КоА действует как промежуточное звено, он связывает и переносит остатки ЖК в биохимических реакциях. При этом кислотные остатки в составе соединений с КоА (ацил-КоА) подвергаются превращениям или обмениваются без изменений на иные метаболиты.
КоА в клетке находится в цитозоле, до 95% всего пула КоА-SH содержат митохондрии. Наличие внутриклеточного переноса КоА-SH, что описано в последнее время, является необходимым, поскольку синтез КоА протекает главным образом в цитозоле, действует КоА-SH в митохондриях, и деградация КоА-SH также происходит за пределами митохондрий; фосфатазы, которые гидролизуют КоА, локализованы в лизосомах. В силу этого перенос КоА-SH происходит как в митохондрии, так и из митохондрий в цитозоль. Митохондрии повышают поглощение КоА-SH в присутствии субстратов окисления - ГЛЮ и ЖК, которые обеспечивают электрохимический градиент на мембране. Перенос КоА-SH ингибируют фосфаты по причине как конкуренции за места связывания на мембране, так и влияния фосфатных групп метаболитов на потенциал митохондриальной мембраны. Торможение переноса КоА-SH через внутреннюю мембрану митохондрий ва-линомицином, 2,4-динитрофенолом и актиномицином связано в основном с нарушением электрохимического градиента протонов.
Физиологичное значение имеет не только поддержание адекватного содержания КоА-SH в клетках in vivo, но и сохранение необходимого уровня его для функции митохондрий. При патологических состояниях происходит уменьшение внутриклеточного пула КоА, что приводит к снижению концентрации как свободного КоА-SH, так и ацил- и ацетил-КоА и уменьшает формирование АТФ. Основное биологическое значение пантотеновой кислоты - участие в синтезе КоА-SH и поддержание достаточного уровня его в клетке. Однако данные последнего
37
КЛИНИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ ДИАГНОСТИКА, № 2, 2012
времени позволяют утверждать, что содержание КоА-SH в клетках (за исключением состояний алиментарной недостаточности витамина), вероятно, напрямую не связано с уровнем пантотеновой кислоты в тканях. Поэтому важно рассмотреть метаболические последствия уменьшения внутриклеточного пула КоА; нарушение отношения ацил-КоА/КоА-SH может оказать влияние практически на все процессы метаболизма. Наибольшее значение имеет изменение внутриклеточного пула КоА, отношения между свободной формой КоА (КоА-sH) и ацил-КоА.
Содержание общего КоА (КоА-sH + ацил-КоА + ацетил-КоА) в печени может меняться при патофизиологических состояниях: при голодании и сахарном диабете происходит увеличение ацил-КоА, а не снижение КоА-sH. Введение животным клофибрата дихлорфенилпропионовой ЖК (пролифератора пероксисом) приводит к тому, что кофермент становится менее чувствительным к действию аллостерических ингибиторов и это способствует увеличению пула КоА в тканях. При кормлении животных пищей с добавлением клофибрата содержание общего ацетил-КоА в экспериментальных условиях стало в 30 раз выше в митохондриях, чем в цитозоле. Вместе с тем концентрация ацетил-КоА в цитозоле в отличие от митохондрий в ряде случаев может снижаться; это и происходит in vitro при использовании в качестве субстрата Р-окисления длинноцепочечной олеиновой моно-ЖК.
При перфузии изолированного сердца буферным раствором, содержащим в качестве субстрата пальм-н-ЖК, ацетат, Р-гидроксибутират или пируват в ткани увеличивается содержание ацетил-КоА и в меньшей мере КоА-SH. С другой стороны, перфузия сердца буферным раствором, который содержал только ГЛЮ, ускоряет синтез КоА-SH, повышает его уровень и понижает содержание ацетил-КоА в ткани. Во взаимосвязи между концентрацией КоА-SH и скоростью его синтеза следует признать преобладание аллостерического действия ацетил-КоА по сравнению с иными метаболитами. Последовательное действие КоА-SH, ацил-КоА, далее КАР и карнитин-пальмитоилацилтранферезы и опять ацил-КоА в матриксе митохондрий обеспечивает возможность Р-окисления ЖК и в конечном итоге формирование ма-кроэргических АТФ (рис. 6). Основная функциональная часть митохондрий - это матрикс и окружающая его внутренняя мембрана. В мембране необычно высоко содержание ФЛ кардиолипина; это определяет ее низкую проницаемость для ионов. Все это подтверждает, что митохондрии анатомически и функционально являются органеллами (частью) даже не просто прокариот, а каких-то более древних одноклеточных и что функционируют они у эукариот по типу филогенетически древнего симбиоза.
Повышение проницаемости внутренней мембраны митохондрий для ионов является первым нарушением, за которым следует формирование синдрома апоптоза или гибель клеток по типу некроза. В мембрану встроены и транспортные белки, которые избирательно переносят в матрикс небольшие молекулы, которые метаболизируют ферменты, локализованные в матриксе. Здесь располагаются ферменты, которые гидролизуют (превращают) пируват и ЖК в ацетил-КоА и затем окисляют его в цикле Кребса. Основные конечные продукты окисления - С02 и НАДН; последние служат основным источником электронов при переносе их по дыхательной цепи до H20. Ферменты реакции встроены во внутреннюю мембрану митохондрий и
важны для окислительного фосфорилирования и синтеза АТФ. Наружная мембрана митохондрий содержит молекулы транспортных протеинов, которые образуют гидрофильные каналы в гидрофобном липидном слое; он более напоминает сито, которое пропускает все молекулы белка с мол. массой < 5 кД. Они проходят в межмембранное пространство митохондрий, но преодолеть внутреннюю мембрану не могут.
Можно полагать, что матрикс митохондрий по составу ионов сходен с анионами и катионами цитозоля. В то же время филогенетически наиболее ранняя ионная среда симбионта, которая отгорожена от цитозоля клетки-хозяина наружной и внутренней мембраной митохондрий, может быть в матриксе и иной. Возможно, пул матрикса митохондрий как симбионта является самой ранней в филогенезе биологической средой. Более 90% ионов Mg2+ клеток содержат митохондрии, определяя, можно полагать, специфичность ионного состава внутримитохондриальной среды. Известно, что ионы Mg являются кофактором многих ферментов и активируют разные биохимические реакции. Именно с недостатком Mg в миоцитах связывают синдром хронической мышечной усталости. Вероятно, поэтому введение карнитина и ионов Mg является обязательным условием наращивания массы поперечно полосатых скелетных мышц и усиления мышечного сокращения и более эффективного синтеза АТФ. С позиций физиологии усталость мышц наступает после исчерпания в митохондриях субстрата для наработки АТФ - ацетил-КоА и накопления межуточных продуктов метаболизма, молочной кислоты (лактата) с развитием метаболического ацидоза. При этом дефицит ацетил-КоА в митохондриях наступает не по причине недостаточного содержания ацил-КоА в цитозоле, а вследствие слабой активности переноса ацил-КоА через внутреннюю мембрану митохондрий, который осуществляет карнитинпальмитоилацилтранс-фераза. Причиной этого может быть дефицит КАР и недостаток в матриксе ионов Mg. Эффективность функции митохондрий во многом определена количеством основного компонента карнитинпальмитоилацилтранс-феразы - L-КАР. Он может быть образован и in vivo из С4-масляной ЖК, эссенциальных аминокислот лейцина и метионина при участии витаминов В3, В6, В12 и ионов Fe2+. Чем меньше L-КАР (и его эфиров) содержится в плазме крови, тем ниже работоспособность и хуже самочувствие пациента.
Основными депо энергетических субстратов для митохондрий являются ТГ жировых депо и гликоген пери-портальных гепатоцитов и скелетных миоцитов, гликоген в цитозоле клетки гидролизуют до ГЛЮ и далее (при гликолизе) до двух молекул пирувата. При полном окислении в миоцитах ТГ жировой ткани образуется в 6,5 раза больше АТФ, чем при окислении равного по массе количества гликогена; если полностью заменить in vivo всю жировую ткань на энергетически то же количество гликогена, масса тела человека увеличится более чем на 25 кг. Запасов гликогена in vivo в среднем достаточно для организма в течение суток при "базальной" его активности; запасов ЖК в адипоцитах жировой ткани хватит на месяц. При окислении в митохондриях молекулы С160-пальм-н-ЖК образуется 129 (131) молекул АТФ, при окислении молекулы ГЛЮ C6H1206, включая и реакции гликолиза, - 36 молекул АТФ. Потребность в жирах возрастает в периоды реализации биологической функции трофологии, биологической реакции эндотрофии. Большая часть ацетил-КоА, который метаболизируется in vivo в цикле Кребса, образуется не из гликогена и ГЛЮ,
38
ЗАОЧНАЯ АКАДЕМИЯ ПОСЛЕДИПЛОМНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
1 - гексокиназа; 2 - фосфофруктокиназа; 3 - пируватдегидрогеназа.
а из короткоцепочечных ЖК, длинноцепочечных н-ЖК и моноеновых ЖК. И если ГЛЮ in vivo можно физиологично превратить в пальм-н-ЖК как "гидрофобную форму" ГЛЮ, то глюконеогенез из ЖК у человека если и происходит, то в ограниченном количестве. В то же время крысы намного более активно осуществляют синтез ГЛЮ из ЖК; заметим, что все ферментные системы для такого синтеза в гепатоцитах человека имеются, но они не экспрессированы.
Многие ткани in vivo чувствительны к нарушениям окислительного фосфорилирования в митохондриях. Это миоциты миокарда, скелетные и гладкие мышечные клетки, нейроны центральной и периферической нервной системы, почки и продуцирующие ИНС Р-клетки островков поджелудочной железы. К примеру, мутации мРНК в Р-клетках островков Лангерганса и нарушение образования АТФ является причиной диабета 1-го типа. Естественно, что геном ядра клетки контролирует формирование митохондрий, однако чаще происходят мутации в первичной структуре мРНК самих митохондрий. Возможны дефекты и в функции такого переносчика электронов, как коэнзим Q, синтез которого в митохондриях выраженно понижается при лечении статинами. Хронический алкоголизм и применение противовирусной терапии аналогами нуклеозидов ингибирует репликацию мРНК в митохондриях. Применение препаратов Q-10 оказывает позитивное действие при лечении некоторых форм кардиомиопатий. Первичные дефекты функции митохондрий являются причиной более 100 нозологических форм, и число их продолжает увеличиваться. Однако вмешаться в функцию митохондрий или изменить их сформированные в филогенезе субстратные "предпочтения" мы не в силах.
Физиологичное значение цикла Рендла, цикла ГЛЮ ^ НЭЖК. При активном окислении миоцитами ацил-КоА и ацетил-КоА митохондрии прекращают окислять ГЛЮ, происходит накопление ее в цитозоле, развитие гипергликемии в межклеточной среде, за которой следует усиление секреции инсулина (ИНС) и гиперинсулинемия. При наличии в цитозоле НЭЖК гликолиз заканчивается образованием не пирувата, который далее превращается в ацетил-КоА для окисления в митохондриях, а лактата, который миоциты используют в реакциях глюконеоге-
неза. Эти превращения контролирует пируватдегидрогеназный комплекс, активность которого аллостерически ингибирует образуемый из пирувата ацетил-КоА. По сути, наличие НЭЖК (ацил-КоА) физиологично ингибируют биохимические реакции гликолиза по причине того, что митохондрии при наличии в цитозоле ацетил-КоА из НЭЖК физиологично "останавливают" образование ацетил-КоА из пи-рувата и его дальнейшее окисление. Если митохондрии не используют образуемую в ходе гликолиза пировиноградную кислоту, синтез ее останавливается и происходит экономия "скромных" запасов ГЛЮ in vivo.
При стрептозоотоциновом диабете у крыс, как и при диабете 2-го типа у людей, в плазме крови повышено содержание ТГ, НЭЖК + альбумин (АЛБ) и кетоновых тел. По мнению Ф. Рендла это определено функцией цикла НЭЖК ^ ГЛЮ, согласно циклу Рендла наличие в клетках НЭЖК, ацил-КоА и ацетил-Коа останавливает окисление митохондриями ГЛЮ, инициирует гипергликемию в цитозоле миоцитов, межклеточной среде и плазме крови. В экспериментах in vitro стимулированное ИНС поглощение ГЛЮ понижается при увеличении в среде содержания пальм-н-ЖК и олеиновой моно-ЖК. В тесте толерантности к ГЛЮ введение в вену эмульсии липидов увеличивает длительность периода гипергликемии, повышается в плазме крови содержание НЭЖК + АЛБ, нарушается поглощение и окисление ГЛЮ ИНС-зависимыми клетками. Если говорить о функции цикла Рендла, цикла НЭЖК ^ ГЛЮ, то в равной степени гипергликемии в цитозоле "должна" ингибировать окисление в митохондриях НЭЖК и ацил-КоА. В то же время ни в одном эксперименте или клиническом наблюдении не удалось показать, что моделирование гипергликемии любым способом может хоть в какой-то степени ингибировать окисление в митохондриях НЭЖК, ацил-КоА и ацетил-КоА. Если повышенное содержание НЭЖК + АЛБ в межклеточной среде ингибирует окисление ГЛЮ в митохондриях, а гипергликемия не может затормозить окисление НЭЖК, то функции цикла по сути нет. Функционирует ли реально цикл Рендла in vivo, если гипергликемия в межклеточной среде не может ингибировать окисление миоцитами кетоновых тел -метаболитов С4-ЖК, короткоцепочечных ЖК С6-С10 и длиноцепочечной пальм-н-ЖК? И до сих пор функция цикла Рендла остается не до конца понятой.
Мы предлагаем функцию цикла Рендла - НЭЖК ^ ЖК рассматривать отдельно на аутокринном, паракрин-ном уровнях и уровне организма. Решение напрашивается компромиссное: цикл Рендла и биохимические механизмы его регуляции функционируют на аутокринном уровне. По сути цикл Рендла на уровне клеток регулирует переключение в биологической функции трофологии (функции питания) двух биологических реакций: биологической реакции внешнего питания (экзотрофии) при поглощении клетками ГЛЮ и НЭЖК извне, когда митохондрии одноклеточных и клеток in vivo в первую очередь окислят ГЛЮ и биологической реакции эндо-трофии - внутреннего питания, в которой митохондрии всех клеток физиологично окисляют преимущественно
39
КЛИНИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ ДИАГНОСТИКА, № 2, 2012
Рис. 8. Формирование элементов цикла Рендла in vivo путем изменения концентрации субстратов (ГЛЮ и НЭЖК) в межклеточной среде и формирования в клетках двух пулов ацетил-КоА из ГЛЮ (перенос ГЛЮТ4) и из НЭЖК (пассивная диффузия).
FA-cFABR-белок, переносящий НЭЖК в цитозоле; CPT-карнитинпальмитоилацилтрансфераза; PDH-пируватдегидрогеназа; HADH - гидроксиацил-КоА-дегидрогеназа; Ac-CoA - ацетил-КоА; ФФК - фосфофруктокиназа; LPL - липопротеинлипаза.
Рис. 9. Предшественники образования ацетил-КоА в клетках и продукты его реализации в синтезе макроэргических субстратов.
НЭЖК, которые освобождаются при гидролизе запасенных в цитозоле клеток ТГ или ТГ в адипоцитах. Одноклеточные, пока есть возможность поглощать экзогенную ГЛЮ, окисляют ее; экзогенная ГЛЮ заканчивается и митохондрии начинают окислять НЭЖК, запасенные в ТГ. Есть экзогенная ГЛЮ и митохондрии опять начинают в первую очередь окислять ее, притормаживая окисление запасенных НЭЖК и депонированного гликогена.
Суть цикла Рендла - "переключение" образования ацетил-КоА из разных предшественников - из ГЛЮ и НЭЖК. Повышенное окисление НЭЖК в митохондриях приводит к увеличению содержания ацетил-КоА из ацил-КоА и образование цитрата в цикле Кребса в реакции ацетил-КоА + оксалацетат. Цитрат, как полагают, и ингибирует активность пируватде-гидрогеназного комплекса; при этом образованный в реакциях гликолиза пируват превращается не в ацетил-КоА, а в лактат и аланин. Цитрат, после того как он оказывается в цитозоле, угнетает активность фосфоф-руктокиназы в реакциях гликолиза, повышая концентрацию глюкозоб-фосфата, ингибируя активность гексокиназы и понижая поглощение клетками ГЛЮ (рис. 7). Если в биологической реакции эндотрофии митохондрии вынуждены окислять НЭЖК, то можно полагать, что в матриксе митохондрий накапливается неиспользуемый пируват. Если пи-руват по градиенту концентрации не входит в матрикс, увеличение содержания его в цитозоле физиологично, аллостерически останавливает гликолиз, активируя глюконеогенез и синтез гликогена. При этом происходит использование в цитозоле пирувата в синтезе ГЛЮ; в образовании спирта глицерина, синтезе из ГЛЮ пальм-н-ЖК, а также ее этерификации в ТГ. Одновременно активация поглощения миоцитами крыс ГЛЮ in vitro сопровождается увеличением в митохондриях содержания малонил-КоА. Повышение концентрации его ингибирует активность карнитинпальми-тоилацилтрансферазы и уменьшает перенос из цитозоля в матрикс пальм-н-ЖК. Синтез такого промежуточного субстрата, как малонил-КоА, является результатом изменения активности фермента ацетил-КоА-карбоксилазы. Полагают, что малонил-КоА, образованный из ацил-КоА, ацетил-КоА при окислении ГЛЮ, способен ингибировать активность карнитинпальми-тоилацилтрансферазы и уменьшать окисление клетками НЭЖК. Следовательно, у одноклеточных функция цикла Рендла реально реализована на аутокринном уровне. Следовательно, ингибиторами гликолиза в цитозоле при окислении митохондриями НЭЖК может быть аллостерическое действие цитрата или пирувата.
In vivo в биологической функции трофологии также происходит чередование биологических реакций экзо-трофии (постпрандиальная гипергликемия и гиперлипидемия) и периодов отсутствия пищи. Для усиления запасания субстратов энергии в биологической реакции экзотрофии на поздних ступенях филогенеза сформи-
40
ЗАОЧНАЯ АКАДЕМИЯ ПОСЛЕДИПЛОМНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ровалась система ИНС, которая надстроилась над ауто-кринными механизмами цикла Рендла и стала с ним взаимодействовать. ИНС, оказывая одновременно влияние на все ИНС-зависимые клетки (поперечно полосатые, скелетные миоциты, адипоциты и перипортальные гепа-тоциты) осуществляет это путем: а) уменьшение содержания в межклеточной среде и цитозоле НЭЖК + АЛБ и кетоновых тел; б) в отсутствие ацил-КоА в цитозоле и митохондриях усиления окисления ГЛЮ и поглощения ГЛЮ клетками по градиенту концентрации. И опять не все в порядке с циклом Рендла; клетки in vivo при действии ИНС активно рецепторно поглощают ЖК и только активированно, но как и прежде пассивно, по градиенту концентрации межклеточная среда ^ цитозоль поглощают ГЛЮ (рис. 8). ИНС явно обошел ГЛЮ своим вниманием. Однако и in vivo гипергликемия в межклеточной среде не в состоянии понизить окисление в митохондриях ни метаболитов С4-масляной ЖК (кетоновых тел), ни короткоцепочечных ЖК, ни длиноцепочечной пальм-н-ЖК; в то же время повышение в межклеточной среде НЭЖК выраженно ингибирует окисление ГЛЮ. Причину функциональной несостоятельности цикла Рендла in vivo следует искать в чем-то другом.
Со временем стало приходить понимание того, что филогенетически ранняя гипергликемия и филогенетически поздний ИНС - это два разных регулятора метаболизма и что основное значение физиологичного цикла Рендла состоит в переключении в клетках в биологической функции трофологии биологических реакций экзо-трофии и эндотрофии; изменения этих биологических реакций действительно проходят циклически. При этом на уровне организма филогенетически более поздний ИНС реализует свое действие только в биологической реакции экзотрофии, в то время как ИНС не активен в биологической реакции эндотрофии и регуляция метаболизма происходила так же, как это было ранее, до становления в филогенезе системы ИНС. Однако каковы были функциональные особенности митохондрии на тех ступенях филогенеза, которые предшествовали становлению системы ИНС? Насколько позже Рендл стал говорить о конкуренции двух субстратов ГЛЮ и ЖК при их окислении в митохондриях? Однако такой конкуренции нет; митохондрии всегда предпочитают окислять НЭЖК, а не ГЛЮ. Позже Нилл предложил гипотезу экономного генотипа, согласно которой в ходе эволюции выжили те виды животных, которые имели хороший аппетит и формировали запасы ЖК для наработки клетками энергии. Позже предложена теория "переедания и голода" Рабиновича, согласно которой ИНС в первую очередь является анаболическим гормоном запасания ЖК в период эк-зотрофии, в то время как гормон роста - анаболический гормон голода активирует окисление в митохондриях ЖК, сберегая при этом ГЛЮ и белки. Рассуждения об экономии белков и трудностях запасания in vivo ГЛЮ имеют право на существование. Однако все они обходят вниманием ответ на простой вопрос о цикле Рендла; если это цикл и НЭЖК блокируют окисление митохондриями ГЛЮ, то способна ли гипергликемия в биологической реакции экзотрофии (при постпрандиальной гипергликемии) блокировать окисление митохондриями НЭЖК. Однако этого никем не показано; гипергликемия не может блокировать окисление митохондриями ЖК.
Важно найти вещество, которое in vivo способно вызвать столь же выраженную гипогликемию, как ИНС. Действительно введение ДГ-амино-КАР проявляет выраженное гипогликемическое действие у контрольных мышей при голодании; однократная доза нормализует
уровень ГЛЮ в плазме крови при экспериментальном диабете на 4-8 ч, менее выраженное действие его продолжается до 12 ч. В тканях голодающих животных при действии ДГ-амино-КАР происходит накопление длинноцепочечных КАР-эфиров ЖК. Уровень в крови НЭЖК, длинноцепочечных ацилкарнитинов и ТГ достоверно увеличен, при этом содежание ГЛЮ существенно снижено. Митохондрии, изолированные из печени крыс, которым скармливали Г-амино-КАР, нормально окисляют пируват, но не могут окислять ЖК; происходит это по причине блокады ДГ-аминокарнитином карнитинпаль-митоилацилтрансферазы. Следовательно, чтобы вызвать состояние гликопении и гипогликемии в межклеточной среде достаточно блокировать поглощение митохондриями НЭЖК в форме ацил-КоА. Не подобными ли механизмами оказывает действие и филогенетически поздний ИНС? Не в этом ли состоят филогенетически ранние особенности физиологии митохондрий, которые делают несостоятельным цикл Рендла на уровне организма?
Еще до формирования эукариот в составе архидревних простейших митохондрии стали в первую очередь окислять:
- метаболиты самой короткой С4-масляной кислоты - кетоновые тела,
- короткоцепочечные С6-С10-ацил-КоА, далее
- пальмитоил-КоА при действии единственного транспортера карнитинпальмитоилацилтрансферазы и только при отсутствии всех их в цитозоле.
- ГЛЮ.
В каких же условиях, можно полагать, сформировалась такая очередность окисления митохондриями субстратов?
У архиодноклеточных, которые, вероятно, существовали при более высокой температуре, содержание пальм-н-ЖК в ТГ было физико-химически обосновано выше. От этих филогенетически ранних предшественников последующим в филогенезе поколениям одноклеточным, а от них и многоклеточным достались:
- митохондрии, которые во всех животных клетках термодинамически предпочитают окислять кетоновые тела, короткоцепочечные ЖК, а из длинноцепочечных ЖК только
- пальм-н-ЖК, вероятно, в силу локализации на бислойной мембране митохондрий только одного транспортера - карнитинпальмитоилацилтрансферазы;
- способности каждой из живых клеток in vitro и in vivo из ГЛЮ, пирувата и ацетил-КоА из ЖК синтезировать только пальм-н-ЖК.
Еще больше особенностей в биохимическом и физико-химическом превращении ЖК можно отметить в митохондриях. По сути митохондрии почему-то специализированы на окислении одной длинноцепочечной ЖК, а именно С160-пальм-н-ЖК. Не исключено, что митохондрии (клеточные симбионты) обладают филогенетически высоким сродством к С160-пальм-н-ЖК в силу особенностей влияния внешней среды и метаболизма ЖК при наработке энергии, которые происходили на ранних ступенях филогенеза и достались нам в наследство. Можно полагать, что в филогенезе был период, когда in vivo у архибактерий доминировали короткоцепочечные ЖК, а среди длинноцепочечных ЖК главенствовала С160-пальм-н-ЖК и, вероятно, более длинных ЖК не было. Поэтому на наружной поверхности внутренней мембраны митохондрий имеется только один транспортер - карнитинпальмитоилацилтрансфераза. Одновременно внутренняя мембрана митохондрий проницаема для кетоновых тел - короткоцепочечных метаболитов ЖК, в частности c -масляной кислоты и c -c -
7 4 6 10
41
КЛИНИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ ДИАГНОСТИКА, № 2, 2012
короткоцепочечных ЖК. Важно отметить, что производным масляной С4-ЖК являются и столь биологически необходимые карнитин и КоА-sH. Вероятно, на ранних ступенях филогенеза кетоновые тела являлись основным субстратом для наработки митохондриями АТФ и на их основе сформирована система поглощения митохондриями длинноцепочечной пальм-н-ЖК и многочисленные пути метаболизма в клетках ацетил-КоА (рис. 9). Происходило это на тех ступенях филогенеза, которые предшествовали формированию гематоэнцефалического барьера, локального пула спинномозговой жидкости и нейронов, для которых ГЛЮ и кетоновые тела так и остались единственными субстратами для наработки митохондриями АТФ.
При повышении в цитозоле одновременно содержания двух субстратов - ГЛЮ и НЭЖК митохондрии в силу специфичных путей филогенеза и неясных особенностей термодинамики всегда предпочтут окислять НЭЖК в первую очередь, а ГЛЮ - во вторую. Это не столь просто объяснить даже с позиций становления одноклеточных на разных ступенях филогенеза. Накапливается все больше оснований считать, что в каждой из клеток митохондрии функционально являются физиологично-необходимыми, но филогенетически и структурно "инородными" образованиями, которые сформировались до образования самых ранних эукариот. Если мы, исходя из предполагаемых нами физико-химических условий становления функции митохондрий на ранних ступенях филогенеза, расставим последовательно все субстраты, которые митохондрии могут окислять в процессе образования АТФ, то получится следующее: кетоновые тела - самая короткая С4-масляная н-ЖК и ее метаболиты ф-гидроксибутират и ацетоацетат); короткоцепочечные С6-С10-н-ЖК; среднецепочечные С12-и С14-н-ЖК и длинноцепочечная С16 0-пальм-н-ЖК, которую позже заменила С181-олеиновая моно-ЖК; последней в ряду предпочтения субстратов окисления митохондриями оказывается ГЛЮ.
Митохондрии будут окислять ГЛЮ только при условии, что в цитозоле клеток не останется ни одного субстрата с большей степенью субстратного предпочтения,
чем ГЛЮ. Именно таким путем и действует ИНС, который блокирует гидролиз ТГ, где только можно, с тем чтобы свести к минимуму содержание в межклеточной среде, а следовательно и в цитозоле, содержание кетоновых тел, коротко-, средне- и длинноцепочечных ЖК, образование ацил-КоА, а из него ацетил-КоА. Для этого ИНС блокирует в адипоцитах все гормонозависимые липазы, которые активируют тиреоидные гормоны, гормон роста, глюкокортикоиды, катехоламины, эстрогены и НУП и вынуждают митохондрии окислять ГЛЮ. Таким образом, митохондрии становятся основными органел-лами в функциональном действии ИНС и в патогенезе сахарного диабета, когда его гипогликемическое действие оказывается опосредованным через гиполипиде-мическое действие и изменение метаболизма ЖК.
Вопросы для самоконтроля:
1. Какова функциональная роль митохондрий как внутриклеточных органелл?
2. Какие этапы метаболизма с целью наработки АТФ происходят в цитозоле, а какие в митохондриях?
3. Способны ли высокое содержание ГЛЮ в цитозоле или гипергликемия в межклеточной среде ингибировать окисление ЖК в митохондриях?
4. Каково функциональное предназначение карнити-на и коэнзима-А?
5. Функционирует ли цикл Рендла на уровне организма или только на аутокринном уровне?
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Городецкий В. К. // Клин. лаб. диагн. - 2006. - № 2. - С. 23-32.
2. Кальман Я., Рем К. Г. Наглядная биохимия. - М., 2000.
3. Титов В. Н. // Клин. лаб. диагн. - 2005. - № 2. - С. 3-8.
4. Титов В. Н. // Успехи соврем. биол. - 2008. - Т. 128, № 5. - С.
435-452.
5. Титов В. Н. Биологические функции (экзотрофия, гомеостаз,
эндоэкология), биологические реакции (экскреция, воспаление,
трансцитоз) и патогенез артериальной гипертонии. - М., 2009.
Поступила 14.04.11
= Вниманию авторов! |
| С 1 апреля 2012 г. начинается подписка на журнал |
| "Клиническая лабораторная диагностика" |
I на II полугодие 2012 г. |
| Индекс журнала для индивидуальных подписчиков — 71442, |
| для предприятий и организаций — 71443 |
| в Каталоге агентства "Роспечать". |
^//iiiii iiiiiiiii iii iii iii iii iiiiiiiii iii iii iii iii iiiiiiiii iii iii iii iii iiiiii iii iii iii iii iii iiiiii iii iii iii iii iii iiiiii iii iii iii iii iiiiiiи iii iii iii iii iii
42
