CC BY
144
биохимия
БИОХИМИЯ
© ТИТОв в.Н., 2016 УДК 577.115.3
Титов в.Н.
ИЗБЫТОК ПАЛЬМИТИНОВОЙ ЖИРНОЙ КИСЛОТЫ В ПИЩЕ - ОСНОВНАЯ ПРИЧИНА ЛИПОИДОЗА ИНСУЛИНОЗАВИСИМЫХ КЛЕТОК: СКЕЛЕТНЫХ МИОЦИТОВ, КАРДИОМИОЦИТОВ, ПЕРИПОРТАЛЬНЫХ ГЕПАТОЦИТОВ, МАКРОФАГОВ КУПФЕРА И В-КЛЕТОК ПОДЖЕЛУДОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ
ФГБУ «Российский кардиологический научно-производственный комплекс» Минздрава РФ, 121552, г. Москва, Российская Федерация
В филогенезе становление биологических функций и биологических реакций проходит с целью постоянного возрастания «кинетического совершенства». Главная роль принадлежит факторам физической, химической и биологической кинетики, оценке их методом системного подхода при постоянном действии естественного отбора. Поздний в филогенезе инсулин в становлении биологической функции локомоции продолжил специализацию зависимых от инсулина клеток: это скелетные миоциты, синцитий кардиомиоцитов, подкожные адипоциты, перипортальные гепатоциты, макрофаги Купфера и в-клетки островков поджелудочной железы. Инсулин инициировал формирование нового, позднего в филогенезе, большого пула жировых клеток - подкожных адипоцитов, что повысило кинетические параметры биологической функции локомоции. В реализации биологической функции локомоции только адипоциты поглощают экзогенные мононенасыщенные и насыщенные жирные кислоты (ЖК) в форме триглицеридов в составе олеиновых и пальмитиновых липопротеинов очень низкой плотности путем апоЕ/В-100 эндоцитоза. Остальные зависимые от инсулина клетки поглощают ЖК в форме неэтерифицированных ЖК (НЭЖК) из ассоциатов с альбумином и при действии CD36 транс-локазы ЖК. Инсулин во всех зависимых клетках ингибирует биологическую реакцию липолиза, способствуя развитию липоидоза. Инсулин экспрессирует перенос ЖК в форме НЭЖК от адипоцитов в матрикс митохондрий, обеспечивает инсулинозависимые клетки субстратами для наработки энергии при условии, что в пуле НЭЖК в адипоцитах преобладает гидрофобная пальмитиновая НЖК которая медленно проходит в матрикс через наружную мембрану митохондрий; оксидазы митохондрий столь медленно реализует ее в-окисление, что содержание экзогенной пальмитиновой НЖК не может быть выше филогенетического, физиологичного уровня - 15% всего количества переносимых к инсулинозависи-мым клеткам ЖК. Инсулин не может понизить содержание экзогенной пальмитиновой ЖК, как и ингибировать липолиз в висцеральных жировых клетках сальника.
Ключевые слова: инсулин; неэтерифицированные жирные кислоты; липолиз; липоидоз; инсулинозависимые клетки.
Для цитирования: Титов В.Н. Избыток пальмитиновой жирной кислоты в пище - основная причина липоидоза инсу-линозависимых клеток: скелетных миоцитов, кардиомиоцитов, перипортальных гепатоцитов, макрофагов Купфера и в-клеток поджелудочной железы. Клиническая лабораторная диагностика. 2016; 61 (2): 68-77. DOI: 10.18821/0869-2084-2016-61-2-68-77. Titov V.N.
THE EXCESS OF PALMITIC FATTY ACID IN FOOD AS MAIN CAUSE OF LIPOIDOSIS OF INSULIN-DEPENDENT CELLS: SKELETAL MYOCYTES, CARDIO-MYOCYTES, PERIPORTAL HEPATOCYTES, KUPFFER MACROPHAGES AND B-CELLS OF PANCREAS
The Russian cardiologic R&D production complex of Minzdrav of Russia, 121552 Moscow, Russia
In phylogenesis, becoming of biological functions and biological reactions proceeds with the purpose of permanent increasing of "kinetic perfection". The main role belongs to factors ofphysical, chemical and biological kinetics, their evaluation using systemic approach technique under permanent effect of natural selection. The late-in-phylogenesis insulin, proceeded with, in development of biological function of locomotion, specialization of insulin-dependent cells: skeletal myocytes, syncytium of cardiomyocytes, subcutaneous adipocytes, periportal hepatocytes, Kupffer's macrophages and в-cells of islets of pancreas. The insulin initiated formation of new, late in phylogenesis, large pool of fatty cells-subcutaneous adipocytes that increased kinetic parameters of biological function of locomotion. In realization of biological function of locomotion only adipocytes absorb exogenous mono unsaturated and saturated fatty acids in the form of triglycerides in composition of oleic and palmitic lipoproteins of very low density using apoE/B-100 endocytosis. The rest of insulin-dependent cells absorb fatty acids in the form of unesterified fatty acids from associates with albumin and under effect of CD36 of translocase of fatty acids. The insulin in all insulin-depended cells inhibits biological reaction of lipolysis enhancing contributing into development of lipoidosis. The insulin expresses transfer of fatty acids in the form of unsaturated fatty acids from adipocytes into matrix of mitochondria. The insulin supplies insulin-dependent cells with substrates for acquiring energy subject to that in pool of unsaturated fatty acids in adipocytes prevails hydrophobic palmitic unsaturated fatty acid that slowly passes into matrix through external membrane of mitochondria; oxidases
Для корреспонденции: Титов Владимир Николаевич, д-р мед. наук, проф., руководитель лаборатории клин. биохимии липидов, [email protected]
biochemistry
of mitochondria so slowly implement its P-oxidation that content of exogenous palmitic unsaturated fatty acid can't be higher than phylogenetic, physiological level - 15% of all amount of fatty acids transferring to insulin-dependent cells. The insulin can't both to decrease content of exogenous palmitic fatty acid and inhibit lipolysis in visceral fatty cells of omentum.
Keywords: insulin; unsaturated fatty acid; lipolysis; lipoidosis; insulin-dependent cells
For citation: Titov V.N. The excess ofpalmitic fatty acid in food as main cause of lipoidosis of insulin-dependent cells: .skeletal myocytes, cardio-myocytes, periportal hepatocytes, Kupffer macrophages and P-cells of pancreas. Klinicheskaya Laboratornaya Diagnostika (Russian Clinical Laboratory Diagnostics). 2016; 61 (2): 68-77. (in Russ.) DOI: 10.18821/0869-2084-2016-61-2-68-77.
For correspondence: Titov V.N., doctor of medical sciences, professor, head of laboratory of biochemistry of lipids e-mail: [email protected]
Conflict of interests. The authors declare absence of conflict of interests.
Financing. The study had no sponsor support.
Received 19.10.15 Accepted 15.12.15
Этиологические факторы и патогенез синдрома резистентности к инсулину (ИР) в статье рассматриваются так, чтобы было понятно врачам всех специальностей: клиницистам, в первую очередь эндокринологам, кардиологам, клиническим биохимикам, а также специалистам фундаментальной медицины. Так можно называть специалистов с медицинским образованием, с хорошим опытом клинической работы, которые сосредоточили свое внимание на вопросах этиологии, патогенеза, а также основам профилактики и лечения наиболее распространенных в популяции вида Homo sapiens заболеваний - "метаболических пандемий", "болезней цивилизации".
Важно с самого начала учебы объяснить студентам-первокурсникам, для чего в течение двух лет в мединституте они осваивают основы общей, физической и коллоидной химии, биохимии, а также основные положения общей биологии. Пока эти предметы еще не рассматриваются как единство физической химии, биохимии, биологии, физиологии и в конечном итоге - как основы "лечебного дела", профилактики наиболее распространенных в популяции человека заболеваний. Пока студентам не объясняют, что системный подход в общей биологии - это становление биологических функций и биологических реакций в филогенезе при постоянном действии естественного отбора. Это привело к формированию организмов, которые в течение многих миллионов лет методом проб и ошибок отработали столь совершенные биологические функциональные системы.
В последние годы на фоне "относительного биологического совершенства" вида Homo sapiens, стали замечать не устраненные на ступенях филогенеза "несогласованности регуляции метаболизма". Это не происходит в клетках на аутокринном уровне, но имеет место на уровне паракринно регулируемых сообществ функционально разных клеток, органов и наиболее часто в регуляции метаболизма организма. Эти, не устраненные в филогенезе несогласованности, реализуемые на уровне организма, и являются этиологическими факторами "метаболических пандемий".
Желание разобраться в особенностях методологического приема - системного подхода в общей биологии, который реализуют животные в течение миллионов лет, стремление понять этиологические факторы становления метаболических пандемий - столь частой патологии в последние столетия, привело к формированию новой, филогенетической теории общей патологии. Это логичное продолжение теории общей патологии "кразов" (Рокитанский К., 1826 г) и целлюлярной теории общей патологии (Вирхов Р., 1846 г). Новая теория вобрала все достижения общей биологии, биофизики, химии и медицинской науки. Все процессы, которые произошли при действии системного подхода на протяжении миллионов лет, филогенетическая теория общей патологии рассматривает с позиций биологических функций и биологических реакций [1].
Становление биологических функций и биологических реакций в филогенезе. Согласно филогенетической теории общей патологии, в течение многих миллионов лет отработаны биологические функции и биологические реакции, которые эти функции реализуют.
1. Биологическая функция питания (функция трофологии) с биологическими реакциями экзотрофии (внешнего питания) и эндотрофии (эндогенного питания) вне приема пищи, во время сна и в период зимней спячки. Биологические реакции осуществляют перенос к клеткам гидрофобных липидов, витаминов, формируют системы переноса субстратов в межклеточной среде, транспорт через плазматическую мембрану клеток и мембраны субклеточных органелл. Липи-ды - это все жирные кислоты (ЖК) и все соединения, в состав которых ЖК входят.
2. Биологическая функция гомеостаза - для каждой из клеток in vivo всегда всего должно быть достаточно. Реализуется эта функция посредством биохимических реакций; они постоянно поддерживают в физиологичном интервале концентрации многих аналитов в едином и локальном пулах межклеточной среды, не допуская их снижения или увеличения.
3. Биологическая функция эндоэкологии - в едином и локальных пулах межклеточной среды in vivo всегда должно быть чисто; чистота - отсутствие "биологического мусора", малой (< 70 кДа) и большой молекулярной массы (> 70 кДа). Биологическую функцию эндоэкологии реализуют две биологические реакции: биологическая реакция экскреции -фильтрация малого "мусора" через базальную мембрану клубочков в локальный пул первичной мочи и далее выведение (экскреция) с окончательной мочой. Вторая - биологическая реакция воспаления; она включает: а) инактивацию, если она необходима; б) сбор; в) утилизацию in situ большого биологического "мусора" - эндогенных флогогенов (активаторов воспаления) и экзогенных, инфекционных патогенов.
Оседлые макрофаги утилизируют большой биологический "мусор" двумя путями: а) протеолизом белков гидролазами в лизосомах и б) окислением афизиологичных ЖК в пероксисомах при действии комплекса оксидаз. Если биологическая реакция экскреции является централизованной, реализуют ее паракринно регулируемые сообщества клеток (ПСК) - нефроны в структуре почек, то утилизация оседлыми макрофагами большого биологического "мусора" происходит децентрализовано (локально) на уровне ПСК и органов; в отдельных локальных пулах и едином пуле межклеточной среды.
В реализации биологической функции эндоэкологии задействованы такие биологические реакции, как гидродинамическое давление, поток-, эндотелийзависимой вазодила-тации, реакция артериального давления в проксимальном
биохимия
отделе артериального русла, эндо-, экзо- и трансцитоза. Превышение любым из аналитом верхней границы физиологичного интервала расценивается как нарушение биологической функции эндоэкологии, "замусоривание" межклеточной среды, активируя далее биологическую реакцию экскреции или реакцию воспаления
4. Биологическую функцию адаптации реализуют две биологические реакции - компенсации и стресса. Кроме того, в реализации биологической функции адаптации участвуют биологические реакции: а) врожденного и приобретенного, гуморального и клеточного иммунитета; б) гидродинамического и артериального давления; в) трансцитоза; д) системы комплемента; е) проведения нервного импульса и ж) способности филогенетически ранних клеток реагировать на действие только гуморальных медиаторов.
5. Биологическая функция продолжения вида, биологическая функция размножения.
6. Биологическая функция локомоции - движение за счет сокращения поперечнополосатых, скелетных миоцитов и кардиомицитов при замкнутом круге кровообращения, функциональной специализации клеток и специфичной роли филогенетически позднего гуморального медиатора инсулина - повышение "кинетических параметров организма" [2].
7. Биологическая функция интеллекта, когнитивная функция; первоначально сформировалась с целью устранения несогласованностей в регуляции метаболизма на трех, раздельно сформированных в филогенезе уровнях "относительного биологического совершенства". С этого начиналось формирование следующего, более высокого уровня регуляции in vivo: а) на уровне клетки и одноклеточных организмов, аутокринно; б) в паракринных сообществах функционально разных клеток - структурных и функциональных единицах каждого органа; в) на уровне организма в условиях единения афферентной и эфферентной иннервации и гуморальной регуляции метаболизма.
Становление биологических функций произошло последовательно; между завершениями отдельных функций и достижениями состояния "относительного биологического совершенства" проходили, порой, миллионы лет. Становление биологической функции локомоции произошло на самых поздних ступенях филогенеза. Чем позже происходит становление биологической функции, тем сложнее привести в соответствии с новыми потребностями все механизмы гуморальной, вегетативной нервной регуляции, которые сформировались на разных уровнях "относительного биологического совершенства". "Метаболические пандемии" включают: 1) атеросклероз; 2) метаболическую (эссенциальную) артериальную гипертонию; 3) метаболический синдром; 4) ожирение; 5) неалкогольную жировую болезнь печени [3]; 6) функциональный синдром резистентности к инсулину (ИР); 7) инициированный нарушениями клеточных структур сахарный диабет 1-го и 2-го типа - это патология всего-то одной, самой поздней биологической функции, функции ло-комоции [4]. Если синдром ИР и сахарный диабет 1-го типа по своему патогенезу относятся к "метаболическим пандемиям", то обосновать это в отношении диабета 2-го типа довольно трудно.
Филогенетическая теория общей патологии позволяет разобраться в этиологии и патогенезе нозологических форм заболеваний не методом редукционизма (разложение сложного на простые составляющие), но при использовании системного подхода общей биологии, исходя из принципа, высказанного Аристотелем, - целое всегда больше суммы его частей. Используя системный подход, результаты естественного отбора, легче выяснить: а) индивидуальные этиологические факторы и б) единый алгоритм патогенеза "метаболических пандемий".
Биологические системы - концентрат миллионов лет естественного отбора; филогенез же - единый анамнез животного мира в его постоянном совершенствовании. Биология - наука "историческая", невозможно понять основные свойства биологических систем вне системного подхода, вне действия естественного отбора. В филогенезе можно выделить отдельные ступени, которые различаются способами регуляции метаболизма. Сначала вся регуляция сформирована: а) на аутокринном уровне; б) далее она стала более сложной в ПСК - структурных и функциональных единицах каждого из органов; в) в большей мере совершенствование ее произошло на уровне организма. Переход от одного уровня регуляции метаболизма к другому при действии разных факторов внешней среды сопряжен с "кризисом преодоления". Это состояние [2] на ступенях филогенеза сопровождается: а) ускорением совершенствования биологических функций и биологических реакций и б) более высокой частотой спонтанных мутаций.
На всех ступенях филогенеза развитие in vivo происходит в направлении возрастания "кинетического совершенства". Главенствующую роль в этом процессе принадлежит факторам физической, химической и биологической кинетики, оценке их в процессе системного подхода при естественном отборе. Дивергентная эволюция (вытеснение более совершенными видами животных менее совершенных) формирует виды с высокими параметрами кинетики. Кинетическому совершенству биологической функции локомоции уделено и регуляторное действие филогенетически позднего гуморального (гормонального) медиатора инсулина.
Перенос в межклеточной среде и транспорт через мембраны ЖК от адипоцитов в матрикс митохондрий
1. Активный, физико-химический транспорт субстратов для наработки митохондриями энергии в форме АТФ - мононенасыщенных и насыщенных ЖК (НЖК + МЖК) через плазматическую мембрану скелетных миоцитов осуществляется с помощью филогенетически ранней, неспецифичной СБ36-транслоказы ЖК [5]. Располагаясь в наиболее гидрофобных, филогенетически ранних участках плазматической мембраны с высоким содержанием сфингофосфолипидов, в рафтах, CD36 транслоказа с высокой константой скорости реакции переносит в цитоплазму клеток все гидрофобные, полярные, заряженные ЖК. Провести через бислой полярных фосфолипидов (ФЛ) мембраны полярную, заряженную ЖК легче, чем нейтральную ЖК [6].
Транспортировать через мембрану клетки неполярные липиды (триглицериды, ТГ, эфиры ЖК и трехатомного спирта глицерина и эфиры ЖК со спиртом холестерином, ХС, ЭХС) возможно только путем рецепторного, клатрин-опосредованного эндоцитоза. Для этого в филогенезе произошло формирование: а) апоЕ/В-48-рецепторного эндоцитоза хиломикронов только гепатоцитами; б) апоВ-100-эндоцитоза липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) всеми клетками; в) апоЕ/В-100-эндоцитоз более поздних в филогенезе ЛП очень низкой плотности (ЛПОНП) только инсулинозависи-мыми клетками и г) самый поздний в филогенезе - апоЕ/А-1-эндоцитоз ЛП высокой плотности (ЛПВП) всеми клетками, но только у части видов животных.
2. В цитоплазме клеток с МЖК + НЖК взаимодействуют члены семейства белков, связывающих жирные кислоты (БСЖК) [7]. Это филогенетически ранние протеины, которые бактериальные клетки симбиотически "приватизировали" от Архей. Это производительная, неспецифичная система переноса ЖК, в первую очередь С16:0 пальмитиновой НЖК, сначала экзогенной, а позже и эндогенно-синтезированной. Животные клетки из ацетата, из ацетил-КоА синтезируют в цикле Линнена (без промежуточных продуктов) пальмитиновую НЖК. БСЖК переносят ЖК и их метаболиты, в ходе реа-
лизации in vivo биохимических реакций a-, в- и ю-окисления ЖК, между органеллами цитоплазмы, плазматической мембраной и пероксисомами, канальцами эндоплазматической сети и митохондриями. В процессе гибели клеток по типу апоптоза часть БСЖК поступают в плазму крови и их можно использовать для диагностики [8]. В ряде работ обсуждается вопрос целесообразности и биологическом обосновании ин-гибирования функции БСЖК [9, 10].
3. Для в-окисления ЖК в матриксе митохондрий они должны пройти через наружную мембрану. Наружная мембрана митохондрий быстро проводит в матрикс С4-кетоновые тела, С6-С10-короткоцепочечные ЖК, среднецепочечные С12-С14 НЖК и олеиновую МЖК; одновременно мембрана мало проницаема для пальмитиновой НЖК. Когда бактериальные клетки в филогенезе стали эндогенно синтезировать пальмитиновую НЖК из ацетата, ацетил-КоА, из глюкозы in situ de novo, то медленный перенос ее через наружную мембрану митохондрий стал функциональным препятствием на пути образования АТФ. На последующих ступенях филогенеза клетки сформировали активированный перенос НЖК путем синтеза новых ферментных систем и формирования нового транспортера - карнитин-пальмитоил ацилтрансфе-разы [11].
4. На наружной поверхности мембраны митохондрий сформированный в эндоплазматической сети тиоэфир ацетил-КоА подвергается действию эстераз, гидролизу и переэтерификации с эндогенным спиртом карнитином [12]. При этом из пальмитоил-КоА образуется пальмитоил-карнитин; этот эфир быстрее, чем пальмитоил-КоА, преодолевает мембрану. Но в матриксе митохондрий метаболизм пальмитиновой НЖК происходит так же, как это было миллионами лет ранее, еще у Архей. Поэтому на внутренней поверхности мембраны митохондрий вновь происходит переэ-терификация пальмитоил-карнитина в пальмитоил-КоА [13]. Далее в-окисление пальмитиновой НЖК происходит, как и миллионы лет ранее у Архей. С началом эндогенного синтеза пальмитиновой НЖК in situ de novo функциональное совершенствование затронуло "узкое" место - поглощение митохондриями НЖК, но не более. Экспрессия синтеза карнитин-пальмитоил ацилтрансферазы является, видимо, результатом регуляторного действия инсулиноподобного фактора роста [14]; синтеза инсулина на столь ранних ступенях в филогенезе еще не было.
5. При формировании на ступенях филогенеза самой поздней биологической функции локомоции: а) движения за счет сокращения филогенетически поздних скелетных, поперечнополосатых миоцитов; б) замкнутого круга кровообращения; в) сердца как центрального насоса и синцития кардиомиоцитов. Биологическая роль новой, гуморальной системы инсулина заключается: а) в оптимальном обеспечении поперечнополосатых миоцитов и кардиомиоцитов субстратами для наработки энергии; б) высокоэффективной наработке биотрансформируемой энергии в количестве quantum satis и условии as soon, as possible. Основным в "кинетическом совершенстве" организмов становится не количество образованного АТФ, а кинетические параметры наработки АТФ в единицу времени, производительность митохондрий. В биологии, в филогенезе доминируют только те системы энергообеспечения, которые обладают наиболее высокой производительностью наработки АТФ в единицу времени [2]. Биологическая функция локомоции в процессе становления сформировала при гуморальном действии инсулина систему энергообеспечения с наиболее высокой производительностью.
6. Филогенетически поздний инсулин не может оказать влияние на основные биохимические реакции метаболизма глюкозы. На миллионы лет ранее до синтеза инсулина
biochemistry
в-клетками островков все биологические реакции метаболизма глюкозы были завершены; для инсулина в регуляции метаболизма глюкозы места "не осталось" [15]. Вне действия инсулина in vivo происходят: а) поглощение клетками глюкозы через филогенетически ранние глюкозные транспортеры ГЛЮТ1—ГЛЮТ3; б) фосфорилирование экзогенной глюкозы глюкокиназой; в) последовательность реакций гликолиза, образование молочной и пировиноградной кислот; г) синтез гидрофильного полимера гликогена; д) биохимические реакции гликогенолиза и секреция глюкозы гепатоцитами в межклеточную среду (биологическая функция гомеостаза);
е) биохимические реакции глюконеогенеза (биологическая функция адаптации), в том числе из аминокислот (аланин) и из ЖК (кетоновые тела) с образованием метилглиоксаля;
ж) превращение лактата в пируват в пируватдегирогеназном комплексе в цитоплазме и з) взаимозаменяемость субстратов (цикл Рендла) при образовании ацетил-КоА на аутокринном уровне из ЖК или глюкозы в синтезе АТФ.
Для обеспечения скелетных миоцитов и кардиомиоцитов субстратами для наработки энергии, синтеза АТФ глюкоза большого значения не имеет, так как: а) энергетическая ценность ее по сравнению с ЖК низкая; б) гликоген как полимер глюкозы выраженно гидрофилен (депонирование его происходит по сути в водной среде) и запасать гликоген негде; количество запасенного гликогена у Homo sapiens не превышает 400-500 г, включая гепатоциты, скелетные миоциты и синцитий кардиомиоцитов; в) при низком градиенте концентрации глюкозы межклеточная среда ^ цитоплазма глюкозу клетки активированным способом посредством ГЛЮТ1-ГЛЮТ3 поглощают медленно, а д) активного поглощения клетками глюкозы так и не создано. Если теоретически, эквиэнергетически заменить все количество ТГ на гликоген, масса тела при нормальном индексе массы увеличится примерно на 25 кг.
Всех недостатков, которые свойственны глюкозе как субстрату для запасания и наработки клетками биотроанформи-руемой АТФ, лишены ЖК. Именно поэтому объектом регуляции филогенетически позднего инсулина стал метаболизм ЖК. В филогенетически поздней, биологической функции локомоции инсулин регулирует обеспечение поперечнополосатых миоцитов in vivo субстратами для наработки энергии, регулируя, в первую очередь, метаболизм ЖК и только во вторую очередь, опосредованно метаболические превращения глюкозы, которых до инсулина не было.
Биофизические исследования показали, что энергию in vivo наиболее удобно хранить в форме экзогенных (эндогенных) субстратов: липидов и углеводов. Исходя из кинетических параметров, макроэргические соединения служат непосредственным источником энергии для энергозависимых биохимических реакций. Свободную энергию при использовании АТФ удается получить наиболее быстро, однако способов запасания самих макроэргических веществ не отработано.
7. Через наружную мембрану митохондрий в матрикс, в котором доминируют ионы Mg++, свободно проходят кетоновые тела, все коротко- и среднецепочечные ЖК в активированной форме ацил-КоА, все коротко- и среднецепочечные ЖК, длинноцепочечная экзогенная ю-6 С18:1 олеиновая МЖК. И только активированно, менее интенсивно, наружная мембрана митохондрий проводит в матрикс пальмитиновую НЖК.
Запасание in vivo субстратов для кратковременного и длительного хранения. Макроэргические соединения, даже в случае предельно эффективного сопряжения с экзотермическими реакциями синтеза, не подходят для длительного запасания энергии: мала их удельная, энергетическая емкость [2]. Накопить высокую концентрацию макроэргических соединений сложно; высокая ионная сила АТФ, высокое осмотическое дав-
биохимия
ление ее затрудняет сохранение активной конфигурации макромолекулы. Макроэргические соединения малопригодны для запасания значительных количеств энергии. Депонирование энергии происходит главным образом не в результате физико-химического превращения ионов, а вследствие биохимических реакций электрически нейтральных молекул. Запасание энергии in vivo происходит в молекулах, окислительная деградация которых сопровождается освобождение большого количества энергии. Наиболее экзотермичны биохимические реакции окисления липидов, длинноцепочечных ЖК до СО2 и Н2О. Ли-пиды выраженно гидрофобные соединения; в силу этого площадь взаимодействия на границе фаз (субстрат в гидрофобной фазе, фермент в гидрофильной среде) всегда небольшая. Это явное препятствие на пути быстрого освобождения энергии, поскольку биохимические превращения (липолиз) проходит на границе гидрофильная/гидрофобная фазы. Для запасания энергии in vivo в течение короткого времени и с быстрым ее освобождением больше подходят менее гидрофобные, чем ЖК, субстраты; оптимально это углеводы, гликоген. Углеводы являются рациональным субстратом для депонирования в клетке легко и быстро мобилизуемой энергии. Когда же нет потребности в быстром использовании энергии, оптимален синтез длинноце-почечных ЖК, как это происходит в семенах растений.
С позиций филогенетической теории общей патологии становление биологических функций на поздних ступенях филогенеза сопряжено с преодолением трудностей. И чем позднее в филогенезе начинается становление биологической функции, тем сложнее ее реализовать. Это сопряжено с "кризисом становления", заменой менее совершенной реакции метаболизма на новый вариант, функционально (технологически) часто сходный, но более производительный. Но не все так просто; в первую очередь в филогенезе действует методологический прием преемственности - логичное, непрерывное совершенствование того, что сформировано за миллионы лет на ранних ступенях филогенеза.
Доминирует в филогенезе и методологический прием биологической "субординации": филогенетически поздний регулятор органично надстраивается над ранними, функционально с ними взаимодействует, но отменить действие раннего в филогенезе гуморального медиатора поздний даже нервный фактор не может. Кроме того, многие варианты реализации функции уже задействованы в регуляции биохимических реакций метаболизма. Происходят и генетические мутации; порой они оказываются необходимыми, но иногда и нежелательными. Найти выход из подобных коллизий не столь просто; не устраненные в филогенезе "несогласованности регуляции метаболизма" на фоне "относительного биологического совершенства" могут формировать этиологические факторы "метаболических пандемий", нозологических форм заболеваний. Их и в биологии можно характеризовать - per aspera ad astra. Не столь редко не преодоленные в филогенезе "тернии" регуляции метаболизма - это этиологические факторы "метаболических пандемий". Все они по-своему обусловливают высокий уровень летальности и при патологии сердечно-сосудистой (сосудисто-сердечной в филогенезе) системы.
Для повышения кинетических параметров организма в реализации биологической функции локомоции инсулин экс-прессировал совершенствование функции всех инсулиноза-висимых клеток. Живые биологические системы - концентрат миллионов лет системного подхода, естественного отбора, единого филогенеза, анамнеза всего животного мира в процессе постоянного совершенствования, в частности вида Homo sapiens. Биология - наука историческая, трудно понять основные свойства и тенденции совершенствования биологических систем вне системного подхода общей биологии, вне естественного отбора.
В филогенезе можно выделить ступени, которые отличаются интенсивностью формирования регуляции, воздействием разных факторов внешней среды. Переход от одного качественного этапа к другому при действии иного фактора (апоморфоз) в филогенезе сопряжен с "кризисом преодоления"; это ускоряет in vivo совершенствование биологических функций и биологических реакций. На ступенях филогенеза развитие организмов происходит в направлении все большего его "кинетического совершенства". Главенствующую роль в этом процессе принадлежит факторам физической и химической кинетики. Естественный отбор постоянно отслеживает, как быстро нарастают "кинетическое совершенство", регуляция метаболизма. Дивергенция (вытеснение более совершенными видами менее совершенных) постепенно формирует виды животных с максимально возможной мерой "кинетического совершенства".
Инсулин и функциональная специализация клеток в биологической функции локомоции
Каковы же существенные изменения метаболизма, которые произошли in vivo при действии гормонального медиатора инсулина?
1. На ступенях филогенеза, ранее действия инсулина, все не окончательно специализированные клетки депонировали в цитоплазме оптимальное количество ЖК в форме неполярных, гидрофобных ТГ и глюкозы - гидрофильного гликогена. Клетки активно мобилизовали ЖК в период биологической реакции эндотрофии и при активации биологической функции адаптации. Все запасенные субстраты (ЖК и глюкозу) клетки использовал только per se, для себя.
2. На более поздних ступенях филогенеза, ранее инсулина, произошли: а) специализация клеток рыхлой соединительной ткани; б) образование пула специализированных висцеральных жировых клеток (ВЖК) и в) депонирование ЖК в форме ТГ в сальнике. Таким образом, сформировался единый пул ВЖК для обеспечения ЖК всех клеток в реализации всех биологических функций; функции локомоции еще не было. Депонирование глюкозы (гликогена) еще длительное время происходили в каждой клетке.
3. На поздних ступенях филогенеза при действии инсулина в реализации биологической функции локомоции произошло следующее: а) продолжалась специализация зависимых от инсулина клеток, включая скелетные миоциты, синцитий кардиомицитов, подкожные адипоциты, перипортальные гепатоциты, макрофаги Купфера и р-клетки островков Лан-герганса поджелудочной железы [16]. Инсулин инициировал образование отдельного пула специализированных ади-поцитов для длительного запасания субстратов наработки энергии и реализации биологической функции локомоции. Пул адипоцитов: а) депонирует преимущественно МЖК + НЖК; б) обеспечивает субстратами для наработки энергии ЖК, только зависимые от инсулина клетки [17]. Адипоциты под кожей запасают большой пул ЖК для реализации одной биологической функции - функции локомоции.
Инсулин супрессировал синтез ферментов, которые депонируют НЖК + МЖК в форме ТГ в инсулинозависимых клетках [18]; клетки перестали запасать НЖК + МЖК в форме ТГ и осуществлять гидролиз ТГ - реакции липолиза [19]. При действии гормона инсулинозависимые клетки стали активированно, используя ГЛЮТ4, поглощать глюкозу и депонировать ее в форме гликогена. Перипортальные, зависимые от инсулина гепатоциты отработали биохимические реакции глюконеогенеза из аминокислот (из аланина), спирта глицерина, а также у части видов животных и из ЖК, С4-кетоновых тел, из p-гидроксибутирата. Происходит это через этапы ацетон ^ ацетол ^ метилглиоксаль ^ D-глюкоза [20]. При этом перипортальные гепатоциты, используя ГЛЮТ4, стали секретировать синтезированную глюкозу в пул меж-
клеточной среды для всех клеток, реализуя биологическую функцию гомеостаза и функцию адаптации.
Все экзогенные НЖК + МЖК в цитоплазму, в том числе и инсулинозависимых клеток, транспортирует СБ36-транс-локаза ЖК; это гликопротеин, функционально скевенджер-рецептор. Из цитоплазмы ЖК поглощают главным образом митохондрии; зависимые от инсулина клетки перестали депонировать ЖК в форме ТГ. В биологической функции локомоции обязанность депонировать МЖК + НЖК возложена на специализированные жировые клетки - зависимые от инсулина адипоциты. СБ36-транслоказа ЖК при физиологичной концентрации НЭЖК + альбумин (0,4-0,8 ммоль/л) в межклеточной среде проводит через мембрану клеток в цитоплазму все МЖК + НЖК, которые освобождаются при гидролизе ТГ в адипоцитах. Далее БСЖК доносят все ЖК до наружной мембраны митохондрий. Мембрана митохондрий вводит в матрикс кетоновые тела, коротко- и средне-цепочечные ЖК; из длинноцепочечных - только экзогенную олеиновую МЖК. Карнитин-пальмитоил ацилтрансферазы обеспечивает поглощение клетками только физиологичное количество пальмитиновой НЖК - не более 15% от всего содержания ЖК.
Физиологично миллионы лет при жизни и в настоящее время в водах мировых океанов содержание пальмитиновой НЖК в пище морских животных и в тканях не превышает 15% количества всех ЖК. На этом же уровне пальмитиновой НЖК произошло и становление функции инсулина. Таким образом, в цитоплазме скелетных миоцитов, кардиомиоцитов in vivo накапливается только пальмитиновая НЖК, если содержание ее в пуле НЭЖК является афизиологично высоким [21, 22]. Даже при активированном поглощении митохондриями пальмитиновой НЖК избыток ее в цитоплазме формирует липоидоз скелетных миоцитов, кардиомиоцитов, гепа-тоцитов, оседлых макрофагов Купфера и ß-клеток островков Лангерганса [23]. При действии карнитин-пальмитоил ацил-трансферазы поглощение пальмитиновой НЖК продолжает проходить по градиенту концентрации: цитоплазма клеток ^ матрикс митохондрий.
Избыток в пище пальмитиновой НЖК - причина афизио-логичного липоидоза инсулинозависимых клеток
В реализации биологической функции локомоции из всех инсулинозависимых клеток экзогенные МЖК + НЖК в форме ТГ в олеиновых и пальмитиновых ЛПОНП путем апоЕ/В-100 эндоцитоза поглощают только адипоциты. Далее обеспечение всех клеток субстратами при реализации биологической функции локомоции происходит в форме НЭЖК: а) НЭЖК освобождаются при липолизе ТГ в адипоцитах; б) МЖК+НЖК к инсулинозависимым клеткам переносит альбумин, а в) трансцитоз ЖК в форме НЭЖК через плазматическую мембрану обеспечивает СБ36-транслоказа ЖК.
В межклеточной среде альбумин специфично связывает и переносит к клеткам две молекулы НЭЖК, активируя и связывание ЖК с клатрином на плазматической мембране [24]. Клатринопосредованный эндоцитоз - раннее в филогенезе поглощение клетками ЖК; он предшествует функции CD36-транслоказы ЖК. Альбумин аффинно связывает пальмитиновую и олеиновую ЖК; реализуя биологическую реакцию эндотрофии. Альбумин переносит к клеткам олеиновую и пальмитиновую ЖК в том соотношении, в котором при ли-полизе они освобождаются из адипоцитов. Среди инсулино-зависимых клеток только адипоциты поглощают ЛПОНП и запасают ЖК в форме ТГ. Липоидоз - это афизиологичное, субстратзависимое накопление пальмитиновой ЖК в форме пальмитиновых ТГ в цитоплазме всех зависимых от инсулина клеток, в которых инсулин этот процесс физиологично остановил.
На протяжении миллионов лет в водах мировых океанов
biochemistry
содержание в пище экзогенной пальмитиновой НЖК и в настоящее время тоже не превышает 15% всех ЖК. Этот физиологичный уровень обусловлен: а) специфичными физико-химическими параметрами пальмитиновой НЖК; б) условиями внешней среды, особенностями индукции субстратом при реализации биологической функции трофологии и в) отношением между биологической реакцией экзотрофии (после приема пищи) и эндотрофии (при ее отсутствии). Если содержание экзогенной + эндогенной пальмитиновой НЖК in vivo выше, чем олеиновой МЖК, формируется малоэффективный пальмитиновый вариант метаболизма ЖК. Для него характерен постоянный дефицит энергии (недостаточное образование АТФ в митохондриях); биотрансформированного АТФ не хватает, порой, для осуществления реакций метаболизма [25].
Может показаться необычным, но после биологической функции локомоции основным потребителей энергии in vivo является сохранение параметров "приватизированной" каждой особью "части третьего мирового океана", который сохраняют in vivo как пул межклеточной среды. Большое количество АТФ необходимо и для поддержания высокого градиента электролитов (катионов Na+, К+, Mg++, Са++ и анионов Cl- и НСО3- и лактата-). Постоянной затраты АТФ требует поддержание высокой концентрации магния в матриксе митохондрий, ионов калия в цитоплазме клеток, ионов натрия и гидратированной воды в межклеточной среде. Несмотря на то что Homo sapiens живет на суше, все клетки его, как и миллионы лет ранее, живут в водной среде с параметрами третьего мирового океана.
Локальными, регулируемыми пулами межклеточной среды являются: 1) пул внутрисосудистой жидкости с раздельной регуляцией в филогенезе; 2) большой и малый круг кровообращения; 3) пул первичной мочи; 4) пул спинномозговой жидкости и 5) пневмоальвеолярный пул в легких. При избытке в пище пальмитиновой НЖК in vivo формируется пальмитиновый вариант метаболизма ЖК. При этом постепенно формируются нарушения физико-химических и биохимических реакций метаболизма в едином и локальных пулах межклеточной среды. Содержание в пище экзогенных (НЖК + МЖК):ННЖК:ПНЖК соотносится как 90:10:1. Чем выше в пище концентрация олеиновой МЖК, происходит формирование in vivo олеинового варианта метаболизма ЖК, тем эффективнее митохондрии нарабатывают АТФ и оптимально обеспечивают энергией все биохимические и физико-химические реакции метаболизма. Нарушение функции дыхательной цепи в матриксе митохондрий отношения к синдрому ИР не имеет.
Афизиологичный липоидоз in vivo (накопление в цитоплазме ТГ) во всех инсулинозависимых клетках - это тоже нарушение биологической функции локомоции. Основа ли-поидоза - нарушение биологической функции трофологии. При этом в условиях "относительного биологического совершенства" содержание в пище пальмитиновой НЖК превышает оптимальное количество, которое биологические системы переноса в межклеточной среде и транспорта через мембраны клеток и органелл могут реально перемещать. Происходит это при поглощении митохондриями длинноце-почечных ЖК для ß-окисления. Биология - наука историческая, поэтому поглощение одноклеточными ЖК из внешней среды имеет длинную историю. Без выяснения этого трудно понять этиологические факторы и единый алгоритм патогенеза всех "метаболических пандемий".
Варианты поглощения клетками ЖК на ступенях филогенеза
Филогенетически ранние Археи, будучи в полной мере экзотрофами, удовлетворяли потребности в энергии за счет поглощения из окружающей среды уксусной кислоты (ацетата) неорганической природы; происходило это так, как из-
биохимия
ложено в биогеохимической теории В.И. Вернадского [26]. Позже бактериальные клетки стали использовать внеклеточное пищеварение; они экскретировали липазы и протеазы за пределы клеточной мембраны, осуществляли ß-окисление ЖК вне клеток, всасывали далее ацетат, циклический диаце-тат и синтезировали из него оптимальные по длине и числу ДС ЖК, депонируя их в форме неполярных ТГ в липидных «каплях» цитоплазмы. На более поздних ступенях филогенеза в клеточной мембране, в гидрофобных доменах из сфин-гофосфолипидов сформировались плоты (рафты), в которых локализована CD36-транслоказа ЖК; она неспецифично переносит через клеточную мембрану гидрофобные ЖК.
В цитоплазме клеток поглощенные ЖК связывают БСЖК; они переносят ЖК к функциональным органеллам клеток для разных целей. К митохондриям для ß-окисления ЖК в матриксе и наработки АТФ, к пероксисомам - для а-и ю-окисления афизиологичных ЖК вне синтеза АТФ, но с образованием калорий тепла. В пероксисомах происходит и биологическая реакция оптимизации экзогенных ЖК (уменьшение содержания экзогенной пальмитиновой НЖК пищи). При функции на мембране ядра рецепторов активации пролиферации пероксисом (РАПП) и экспрессии синтеза in vivo всего семейства оксидаз ЖК и к эндоплазматической сети для длительного запасания энергии в форме длинноцепочеч-ных ЖК в "каплях" ТГ [27].
За миллионы лет в филогенезе возможностей у клеток понизить содержание экзогенной пальмитиновой НЖК было немного. Основное - это превращение С16:0 пальмитиновой НЖК в С16:1 пальмитолеиновую МЖК при действии паль-митоил десатуразы. Экспрессирован этот фермент, вероятно, на ранних ступенях филогенеза еще у бактерий; вводит он в пальмитиновую НЖК одну ДС в позицию ю-7. Хотя и происходит образование МЖК, оксидаз для окисления афизиоло-гичной ЖК в митохондриях клеток нет; для млекопитающих пальмитолеиновая МЖК является афизиологичной; окисляют ее только пероксисомы. В ЖК говядины содержание афи-зиологичной пальмитолеиновой МЖК достигает 8%.
Физико-химические параметры пальмитиновой НЖК являются этиологическими факторами, основой патогенеза афизиологичного липоидоза инсулинозависимых клеток. Это следующие характеристики С16:0 пальмитиновой НЖК: а) высокая гидрофобность самой короткой из длинноцепо-чечных ЖК (эндогенной, экзогенной), ее низкая реакционная способность; б) медленное прохождение через наружную мембрану митохондрий в матрикс, что потребовало специфичного транспортера (карнитин-пальмитоил ацилтрансфе-раза); в) низкая константа скорости ß-окисления в матриксе митохондрий, малоэффективное образование ацетил-КоА и г) низкоэффективное образование ацетил-КоА как субстрата наработки митохондриями АТФ, которое не покрывает потребности организма [28].
В физиологичных условиях, когда альбумин доставляет НЭЖК к клеткам и CD36 транслоказа заводит ЖК в цитоплазму, поглощение их митохондриями происходит по-разному: а) ю-6 С18:1 олеиновая МЖК свободно проходит через наружную мембрану митохондрий; она быстро оказывается в матриксе и быстро подвергается ß-окислению с образованием ацетил-КоА; б) высокая скорость окисления олеиновой МЖК в матриксе митохондрий поддерживает высокий градиент олеиновой МЖК цитоплазма ^ матрикс митохондрий, активируя поглощение митохондриями МЖК [29].
Экзогенная С16:0 пальмитиновая НЖК в силу ее физико-химических свойств в матрикс митохондрий свободно не проходит. Реализация функции карнитин-пальмитоил ацил-трансферазы требует времени и по эффективности уступает скорости проведения в митохондрии олеиновой МЖК. К тому же низкая константа скорости окисления пальмитиновой
НЖК в митохондриях является причиной того, что градиент концентрации цитоплазма ^ матрикс митохондрий постоянно остается низким.
Параметры окисления озоном индивидуальных ЖК in vitro
Согласно филогенетической теории общей патологии, до синтеза инсулина и становления биологической функции локомоции основным субстратом для окисления в митохондриях являлась пальмитиновая НЖК; при действии инсулина основным субстратом окисления стала олеиновая МЖК. Какие же преимущества имеет окисление в митохондриях олеиновой МЖК по сравнению с пальмитиновой НЖК? Более десяти лет назад мы опубликовали статью «Кинетические параметры окисления озоном индивидуальных жирных кислот» [30], приведенные данные во многом изменили наши представления о метаболизме ЖК и наработке энергии при их окислении в митохондриях.
Использование автоматического анализатора двойных связей (ДС) с помощью титрования озоном позволило установить константы скорости окисления индивидуальных ЖК:
• С16:0 пальмитиновая ЖК - 6,0 ■ 10-2 л/моль ■ с;
• ю-6 С18:1 олеиновая ЖК - 1,0 ■ 106 л/моль ■ с;
• ю-6 С18:2 линолевая ЖК - 6,1 ■ 104 л/моль ■ с;
• ю-6 С20:4 арахидоновая ЖК - 2,4 ■ 105 л/моль ■ с.
Это модельные эксперименты in vitro, в которых ЖК, растворенные в СС14 (четыреххлористом углероде), автоматически титровали О замеряя динамику потребления окислителя и рассчитывая константу скорости реакции. Константа окисления олеиновой МЖК по сравнению с окислением пальмитиновой НЖК является на несколько порядков выше. Это позволяет предположить, что и в биологических системах различие скорости окисления является существенным и в-окисление олеиновой МЖК в матриксе митохондрий также происходит с более высокой константой скорости реакции, чем пальмитиновой НЖК.
Кинетически быстрое поглощение митохондриями олеиновой МЖК из цитоплазмы инсулинозависимых клеток и одновременно медленное поглощение органеллами пальмитиновой НЖК, особенно при избыточном поступлении ее в клетки, являются причиной того, что клетки спонтанно ее накапливают, химически этерифицируют со спиртом глицерином и образуют пальмитиновые ТГ; далее эти ТГ сами клетки и не могут гидролизовать.
При избытке in vivo экзогенной пальмитиновой НЖК афизиологичный липоидоз формируют скелетные миоциты, синцитий кардиомиоцитов, перипортальные гепатоциты, оседлые макрофаги Купфера и в-клетки островков поджелудочной железы. При этом нарушаются все специфичные функции клеток, в большей мере - сокращения миофи-брилл.
Вероятно, наружная мембрана ранних в филогенезе митохондрий по сути является физико-химическим, кинетическим, биологическим фильтром. Митохондрии быстро фильтруют в матрикс МЖК и окисляют ее с высокой константой скорости реакции. Эта же мембрана медленно вводит в матрикс митохондрий физиологичную пальмитиновую НЖК, константа окисления которой на порядок ниже, чем олеиновой. На ступенях филогенеза это вынудило клетки сформировать транспортер - карнитин-пальмитоил-ацилтрансферазу только для С16:0 НЖК. Не кроются ли здесь противоречия? Для чего каждая клетка из ацетил-КоА синтезирует in situ de novo (без промежуточных продуктов) С16:0 пальмитиновую НЖК, которая далее с трудом проходит в матрикс митохондрий и окисляется с низкой константой скорости реакции? Понять, что происходит в филогенезе, можно только с помощью филогенетической теории общей патологии, а также системного подхода к общей биологии и итогам естественного отбора.
Преемственность в филогенезе и синтез олеиновой МЖК из пальмитиновой НЖК
Согласно филогенетической теории общей патологии, температура воды в первом (магниевом) океане соответствовала изоволюметрическому интервалу воды [31]. В этом интервале повышение температуры с 36 до 42°С не сопровождается увеличением объема Н2О. В этих условиях прокариоты Археи и сформировали митохондрии. Чтобы мембрана не «расплавилась», Археи синтезировали пальмитиновую НЖК с точкой плавления 63°С и этерифицировали ее в состав каждого ФЛ. Именно поэтому все клетки из ацетил-КоА и в настоящее время синтезируют in situ de novo пальмитиновую НЖК. Происходит это в соответствии с методологическим приемом преемственности согласно единой технологии становления в филогенезе функциональных систем, биологических реакций и биологических функций [1].
Миллионы лет Земля и океан остывали; какой была температура во втором (калиевом) океане можно только догадываться; но в третьем (натриевом) мировом океане, который существует и по сей день, температура составляет 4-6°С. Это почти на порядок ниже, чем в первом (магниевом) океане. В этих условиях клеточная мембрана уже во втором океане не могла содержать столь высокую концентрацию пальмитиновой НЖК; она бы «замерзла». При длительном воздействии фактора внешней среды, при снижении температуры воды одноклеточные, соблюдая биологический принцип преемственности и продолжая синтез пальмитиновой НЖК, стали синтезировать из нее ш-9 С18:1 олеиновую МЖК с точкой плавления 16°С. Для этого у одноклеточных: а) удлинилась пальмитиновая НЖК на 2 атома углерода (+ молекула ацетил-КоА); б) начинается синтез С18:0 стеариновой НЖК и б) в цепь НЖК вводится одна ДС в позиции ш-9; так произошел (и происходит) синтез эндогенной ш-9 олеиновой МЖК.
Параллельно снижению температуры мирового океана содержание in vivo пальмитиновой НЖК с величины, оптимальной для первого океана, постепенно снизилось до 15% от всего количества экзогенных+эндогенной ЖК. Но, как и миллионы лет назад, олеиновая (МЖК + пальмитиновая МЖК):ННЖК:ПНЖК соотносятся как 90:10:1. Если из двух ЖК содержание олеиновой МЖК физиологично выше, ли-поидоза и нарушения функции инсулинозависимых клеток не происходит. Если же афизиологично преобладает экзогенная пальмитиновая НЖК, накопление ее в зависимых от инсулина клетках, спонтанная этерификация в ТГ, развитие липоидоза формирует условия для патогенеза «метаболических пандемий». За миллионы лет содержание пальмитиновой НЖК снизилось до 15%, но не ниже; вероятно, это и есть уровень «относительного биологического совершенства». Этим обусловлено и действие инсулина; он стимулирует эндогенный синтез олеиновой МЖК из пальмитиновой НЖК. Многоэтапная, но функционально единая система переноса ЖК в форме НЭЖК от адипоцитов до матрикса митохондрий не может переносить количество НЖК, которое превышает 15% общего содержания ЖК.
Эксперименты на разных видах животных показали, что формирование синдрома ИР всегда сопровождается: а) уменьшением в скелетных миоцитах и кардиомиоцитах депонирования гликогена [32]; б) липоидозом без активации синтеза ЖК in situ de novo; в) накоплением ТГ в липидных "каплях" в цитоплазме и г) нарушением (отсутствием) в клетках липолиза ТГ. Согласно филогенетической теории общей патологии, патогенез липоидоза во всех зависимых от инсулина клетках является единым; это единение не только патогенеза "метаболических пандемий", но и единение этиологических факторов. Все "метаболические пандемии" являются нарушением одной биологической функции - функции локомоции. В зависимых от инсулина клетках, включая и пул
biochemistry
адипоцитов, происходит ретенционное, афизиологичное накопление пальмитиновых ТГ, которые к тому же трудно ги-дролизовать [33].
Накопление в цитоплазме избытка липидных "капель" ТГ всегда приводит к нежелательным последствиям: а) нарушению топологии шероховатых мембран эндоплазмати-ческой сети и встроенных рибосом; б) нарушению синтеза, формирования третичной и четвертичной структуры молекул миофибрилл (фолдинг молекул); в) снижению параметров сокращения поперечнополосатых миоцитов и синцития кардиомиоцитов. За этим следуют нарушение биологической функции локомоции, формирование миопатии, кардиомиопа-тии и развитие сердечной недостаточности.
Основной причиной гибели клеток in vivo является нарушение их функции и структуры. Клетки гибнут по типу апоптоза, деструкция их, формирование телец апоптоза и утилизация оседлыми макрофагами большого "биологического мусора" происходят при активации биологической функции эндоэкологии, биологической реакции воспаления [34]. Нарушение метаболизма - это основная причина запрограммированной гибели клеток по типу апоптоза. В последнее время причинно-следственные связи "метаболизм ^ воспаление" при "метаболических пандемиях" предложено именовать термином "метафламмация" (metabolism + inflammation) [7, 5].
Инсулин для повышения кинетических параметров биологической функции локомоции инициировал формирование нового, филогенетически позднего, самого многочисленного пула клеток, специализированных жировых клеток - подкожных адипоцитов [35]. Из всех клеток в реализации биологической функции локомоции только адипоциты поглощают экзогенные МЖК + НЖК в форме ТГ в составе олеиновых и пальмитиновых лигандных ЛПОНП путем апоЕ/В-100 эндоцитоза. Все остальные инсулинозависимые клетки поглощают ЖК, субстраты для наработки АТФ в форме НЭЖК из ассоциатов с альбумином при действии филогенетически ранней СБ36-транслоказы ЖК [36, 37]. Инсулин во всем пуле зависимых клеток инициировал невозможность поглощение ими ТГ и сделал невостребованной биологическую реакцию липолиза. Инициированная инсулином система обеспечения всех клеток субстратами для наработки энергии стабильно функционирует при условии, что в пуле НЭЖК, которые освобождаются из адипоцитов при гидролизе ТГ: а) количество олеиновой МЖК превышает пул пальмитиновой НЖК и б) количество пальмитиновой НЖК не превышает 15% от всего количества переносимых к клеткам ЖК.
Если это филогенетически обязательное условие не соблюдено и в пуле НЭЖК, который поглощают инсулино-зависимые клетки, преобладает пальмитиновая НЖК или содержание ее превышает 15% всех ЖК, развивается афи-зиологичный липоидоз. Определяется это тем, что через наружную мембрану митохондрий быстро проходят в ма-трикс из цитоплазмы олеиновая МЖК, быстро подвергается ß-окислению, в то время как пальмитиновая НЖК с медленными параметрами кинетики накапливается в цитозоле зависимых от инсулина клеток. В таких условиях клетки в соответствии с уровнем аутокринной регуляции этерифици-руют НЖК со спиртом глицерином, формируя гидрофобные пальмитиновые ТГ. В это же время ферментная система ли-полиза в инсулинозависимых клетках не экспрессирована и не столь активный физиологичный гидролиз пальмитиновых ТГ вообще не происходит.
Далее следуют эндоплазматический стресс и гибель клеток по типу апоптоза с формированием биологической реакции "метаболизм ^ воспаление" и "метаболизм ^ микроциркуляция". Это выраженно нарушает функциональную активность не только клеток, но и паракринно регулируемых
биохимия
сообществ функционально разных клеток - структурных и функциональных единиц каждого органа. Формирование афизиологичного липоидоза специализированных, инсу-линозависимых клеток с нарушением их функции является общим в патогенезе: а) миопатии скелетных мышц; б) ди-латационной кардиомиопатии; в) неалкогольной жировой болезни, фиброзе и циррозе печени; г) нарушении функции специализированных макрофагов Купфера, компенсаторного формирования атероматоза (атеротромбоза) в интиме артерий эластического типа [38] и г) медленного превращения функционального синдрома ИР с гиперинсулинемией в обусловленный деструкцией ß-клеток сахарный диабет 1-го типа с уменьшением синтеза и секреции инсулина.
Афизиологично высокое содержание в пище пальмитиновой НЖК является фактором воздействия внешней среды, патологическое влияние которой задействовано в патогенезе всех "метаболических пандемий". Полагают, что действие повышенной концентрации НЭЖК в межклеточной среде нарушает стимуляцию инсулином фосфорилирования тирозина в каскаде передачи сигнала с рецептора на исполнительные ор-ганеллы клеток [39], а также активность протеинкиназы при образовании в клетках циклического аденозинмонофосфата. Поздний в филогенезе инсулин не может повлиять на раннюю в филогенезе биологическую функцию трофологии - функцию питания. Экспрессию пальмитоилэлонгазы инсулин тоже не регулирует; если гормон и экспрессирует на мембране ядра рецепторы, активирующие пролиферацию пероксисом, которые окисляют часть экзогенной пальмитиновой НЖК, то это действие невелико. Инсулин не может ингибировать и эндогенный субстратзависимый синтез пальмитиновой НЖК в инсулиноза-висимых клетках. Поэтому избыточное количество в животной пище пальмитиновой НЖК является эффективным фактором воздействия внешней среды, который, нарушая биологические функции трофологии, гомеостаза и адаптации, создает условия для патогенеза всех "метаболических пандемий" [14].
Важно то, что in vivo происходит суммирование; а) содержания в пище пальмитиновой НЖК с нежелательными физико-химическими параметрами; б) явно афизиологич-ными свойствами экзогенной и эндогенной пальмитолеи-новой МЖК и в) со столь же патологическим действием афизиологичных транс-форм всех МЖК и ННЖК, которые по своим метаболическим превращениям подобны НЖК. Афизиологично высокая сумма - пальмитиновая НЖК + пальмитолеиновая МЖК + транс-формы МЖК и ННЖК и является облигатным условием формирования in vivo "метаболических пандемий", наиболее часто синдрома ИР. Когда действие инсулина в инсулинозависимых клетках реализовано афизиологично, синтез эндогенных ЖК останавливается на этапе пальмитиновой НЖК. В физиологичных условиях регуляторное действие инсулина инициирует далее синтез из пальмитиновой НЖК специфичной для животных клеток ю-9 С18:1 олеиновой МЖК.
Избыток в пище пальмитиновой НЖК, высокий уровень в плазме крови в составе НЭЖК является почти синонимом синдрома резистентности к инсулину. Это же является и основной причиной снижения гипотриглицеридемического действия статинов, которое формируется при низкой скорости липолиза пальмитиновых ТГ в одноименных ЛПОНП при действии постгепариновой липопротеинлипазы. Причиной столь высокой частоты "метаболических пандемий" в популяции Homo sapiens на протяжении последнего столетия является патологическое влияние факторов внешней среды. Основным из них является избыточное количество животной пищи, содержащей пальмитиновую НЖК и транс-формы МЖК + ННЖК.
Афизиологичный характер питания, который критически пока не оценивает биологическая функция интеллекта, как
не оценивает и патологическое действие "биологического оружия пищепрома" в форма транс-форм МЖК, ННЖК и пальмового масла (содержание пальмитиновой НЖК в нем превышает 50% количества всех ЖК), является основой "расцвета метаболических пандемий" в популяциях всех развитых стран мира. Не статины следует рекомендовать принимать пациентам, а думать о том, что мы едим и убирать из пищи избыток пальмитиновой НЖК; каждому человеку это надо делать самому. Чем меньше в пище содержание пальмитиновой НЖК и выше уровень ю-3 ПНЖК [40, 41], выше уровень физической активности - при этом усиливается липолиз и понижается липоидоз клеток in vivo [42]; тем в большей мере создаются благоприятные условия для более продолжительной жизни.
ЛИТЕРАТУРА (пп. 3, 5-14, 16-19, 21-23, 25, 27-29, 32-37, 39-42 см. REFERENCES)
1. Титов В.Н. Биологические функции (экзотрофия, гомеостаз, эндоэкология), биологические реакции (экскреция, воспаление, трансцитоз) и патогенез артериальной гипертонии. Москва-Тверь: Издательство «Триада»; 2009.
2. Шноль С.Э. Физико-химические факторы биологической эволюции. М.: Издательство «Наука»; 1979.
4. Титов В.Н. Филогенетическая теория общей патологии. Патогенез метаболических пандемий. Сахарный диабет. М.: ИНФРА-М; 2014.
15. Титов В.Н. Филогенетическая теория общей патологии. Патогенез болезней цивилизации. Атеросклероз. М.: ИНФРА-М; 2014. 20. Дмитриев Л.Ф. С3-альдегиды и нарушение клеточного метаболизма: возможные способы нормализации углеводного обмена. Клиническая лабораторная диагностика. 2015; (2): 13-8. 24. Гончаров Н.В., Белинская Д.А., Разыграев А.В., Уколов А.И. О ферментативной активности альбумина. Биоорганическая химия. 2015; 41 (2): 131-44. 26. Вернадский В.И. Труды по биогеохимии и геохимии почв. М.: Наука; 1992.
30. Лисицын Д.М., Разумовский С.Д., Тишенин М.А., Титов В.Н. Кинетические параметры окисления озоном индивидуальных жирных кислот. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2004; 138 (11): 517-9.
31. Диброва Д.В., Гальперин М.Ю., Кунин Е.В., Мулкиджанян А.Я. Древние системы натрий-калиевого гомеостаза клетки как предшественники мембранной биоэнергетики. Биохимия. 2015; 80 (5): 590-611.
38. Вей Ю.Е., Ксиа Д.Ш., Янг В.К., Вонг К.Г., Чен К.Ж., Донг Н.Г. Секреторная активность адипоцитов и макрофагов при воспалении и/или резистентности к инсулину и эффекты адипоцитов на преадипоциты в тех же условиях. Биохимия. 2014; 79 (7): 834-44.
Поступила 19.10.15
REFERENCES
1. Titov V.N. Biological Functions (exotrophy, homeostasis, endoecol-ogy), Biological Response (urinary, inflammation, transcytosis) and Pathogenesis of Hypertension [Biologicheskie funktsii (ekzotrofiya, gomeostaz, endoekologiya), biologicheskie reaktsii (ekskretsiya, vospalenie, transtsitoz) i patogenez arterial'noy gipertonii]. Moscow-Tver': Izdatel'stvo "Triada"; 2009. (in Russian)
2. Shnol' S.E. Physical and Chemical Factors of Biological Evolution [Fiziko-khimicheskie faktory biologicheskoy evolyutsii]. Moscow: Izdatel'stvo "Nauka"; 1979. (in Russian)
3. Firneisz G. Non-alcoholic fatty liver disease and type 2 diabetes mellitus: the liver disease of our age? World J. Gastroenterol. 2014; 20 (27): 9072-89.
4. Titov V.N. Phylogenetic Theory of General Pathology. The Pathogenesis of Metabolic Pandemics. Diabetes [Filogeneticheskaya teoriya obshchey patologii. Patogenez metabolicheskikh pandemiy. Sakharnyy diabet]. Moscow: INFRA-M; 2014. (in Russian)
5. Pepino M.Y., Kuda O., Samovski D., Abumrad N.A. Structure-function of CD36 and importance of fatty acid signal transduction in fat metabolism. Annu. Rev. Nutr. 2014; 34: 281-303.
6. Park Y.M. CD36, a scavenger receptor implicated in atherosclerosis. Exp. Mol. Med. 2014; 46: e99.
7. Furuhashi M., Saitoh S., Shimamoto K., Miura T. Fatty Acid-Binding Protein 4 (FABP4): Pathophysiological Insights and Potent Clinical Biomarker of Metabolic and Cardiovascular Diseases. Clin. Med. Insights. Cardiol. 2015; 8 (Suppl. 3): 23-33.
8. Mita T., Furuhashi M., Hiramitsu S., Ishii J., Hoshina K., Ishimura S. et al. FABP4 is secreted from adipocytes by adenyl cyclase-PKA-and guanylyl cyclase-PKG-dependent lipolytic mechanisms. Obesity (Silver Spring). 2015; 23 (2): 359-67.
9. Zhang M., Zhu W., Li Y. Small molecule inhibitors of human adipocyte fatty acid binding protein (FABP4). Med. Chem. 2014; 10 (4): 339-47.
10. Angin Y., Steinbusch L.K., Simons P.J., Greulich S., Hoebers N.T., Douma K. et al. CD36 inhibition prevents lipid accumulation and contractile dysfunction in rat cardiomyocytes. Biochem. J. 2012; 448 (1): 43-53.
11. Maples J.M., Brault J.J., Witczak C.A., Park S., Hubal M.J., Weber T.M. et al. Differential epigenetic and transcriptional response of the skeletal muscle carnitine palmitoyltransferase 1B (CPT1B) gene to lipid exposure with obesity. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2015; 309 (4): E345-56.
12. Boudina S., Graham T.E. Mitochondrial function/dysfunction in white adipose tissue. Exp. Physiol. 2014; 99 (9): 1168-78.
13. Toral M., Romero M., Jiménez R., Mahmoud A.M., Barroso E., Gómez-Guzmán M. et al. Carnitine palmitoyltransferase-1 up-regulation by PPAR-p/5 prevents lipid-induced endothelial dysfunction. Clin. Sci. (Lond). 2015; 129 (9): 823-37.
14. Horiushi M., Nakakuma M., Arimura E., Ushikai M., Yoshida G. Experimental Approach to Analysis of the Relationship between Food Environments and Lifestyle-Related Diseases, Including Cardiac Hypertrophy, Fatty Liver, and Fatigue Symptoms. Nihon. Eiseigaku. Zasshi. 2015; 70 (2): 110-4.
15. Titov V.N. Phylogenetic Theory of General Pathology. The Pathogenesis of the Diseases of Civilization. Atherosclerosis [Filogenet-icheskaya teoriya obshchey patologii. Patogenez bolezney tsivili-zatsii. Ateroskleroz]. Moscow: INFRA-M; 2014. (in Russian)
16. Zou C.Y., Gong Y., Liang J. Metabolic signaling of insulin secretion by pancreatic P-cell and its derangement in type 2 diabetes. Eur. Rev. Med. Pharmacol. Sci. 2014; 18 (15): 2215-27.
17. Walker G.E., Marzullo P., Ricotti R., Bona G., Prodam F. The pathophysiology of abdominal adipose tissue depots in health and disease. Horm. Mol. Biol. Clin. Investig. 2014; 19 (1): 57-74.
18. Badin P.M., Vila I.K., Louche K., Mairal A., Marques M.A., Bourlier V. et al. High-fat diet-mediated lipotoxicity and insulin resistance is related to impaired lipase expression in mouse skeletal muscle. Endocrinology. 2013; 154 (4): 1444-53.
19. Kase E.T., Feng Y.Z., Badin P.M., Bakke S.S., Laurens C., Coue M. et al. Primary defects in lipolysis and insulin action in skeletal muscle cells from type 2 diabetic individuals. Biochim. Biophys. Acta. 2015; 1851 (9): 1194-201.
20. Dmitriev L.F. C3 aldehydes and violation of cellular metabolism: the possible ways of normalizing glucose metabolism. Klinicheskaya laboratornaya diagnostika. 2015; (2): 13-8. (in Russian)
21. Gao W., Ma Y., Liu D. High-fat diet-induced adiposity, adipose inflammation, hepatic steatosis and hyperinsulinemia in outbred CD-1 mice. PLoS One. 2015; 10 (3): e0119784.
22. Pillon N.J., Azizi P.M., Li Y.E., Liu J., Wang C., Chan K.L. et al. Palmitate-induced inflammatory pathways in human adipose micro-vascular endothelial cells promote monocyte adhesion and impair insulin transcytosis. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2015; 309
(1): E35-44.
23. Watt M.J., Hoy A.J. Lipid metabolism in skeletal muscle: generation of adaptive and maladaptive intracellular signals for cellular function. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2012; 302 (11): E1315-28.
24. Goncharov N.V., Belinskaya D.A., Razygraev A.V., Ukolov A.I. On enzymatic activity of albumin. Bioorganicheskaya khimiya. 2015; 41
(2): 131-44. (in Russian)
25. Palomer X., Salvadó L., Barroso E., Vázquez-Carrera M. An over-
biochemistry
view of the crosstalk between inflammatory processes and metabolic dysregulation during diabetic cardiomyopathy. Int. J. Cardiol. 2013; 168 (4): 3160-72.
26. Vernadskiy V.I. Works on Soil Biogeochemistry and Geochemistry [Trudy po biogeokhimii i geokhimii pochv]. Moscow: Nauka; 1992. (in Russian)
27. Ali A.H., Koutsari C., Mundi M., Stegall M.D., Heimbach J.K., Taler S.J. et al. Free fatty acid storage in human visceral and subcutaneous adipose tissue: role of adipocyte proteins. Diabetes. 2011; 60 (9): 2300-7.
28. Zhang L., Keung W., Samokhvalov V., Wang W., Lopaschuk G.D. Role of fatty acid uptake and fatty acid beta-oxidation in mediating insulin resistance in heart and skeletal muscle. Biochim. Biophys. Acta. 2010; 1801 (1): 1-22.
29. Ritter O., Jelenik T., Roden M. Lipid-mediated muscle insulin resistance: different fat, different pathways? J. Mol. Med. (Berl). 2015; 93 (8): 831-43.
30. Lisitsyn D.M., Razumovskiy S.D., Tishenin M.A., Titov V.N. Kinetic parameters of individual ozone oxidation of fatty acids. Byulleten' eksperimental'noy biologii i meditsiny. 2004; 138 (11): 517-9. (in Russian)
31. Dibrova D.V., Gal'perin M.Yu., Kunin E.V., Mulkidzhanyan A.Ya. The ancient system of sodium-potassium homeostasis of the cell membrane as precursors of bioenergy. Biokhimiya. 2015; 80 (5): 590-611. (in Russian)
32. Thompson A.L., Lim-Fraser M.Y., Kraegen E.W., Cooney G.J. Effects of individual fatty acids on glucose uptake and glycogen synthesis in soleus muscle in vitro. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2000; 279 (3): E577-84.
33. Kewalramani G., Bilan P.J., Klip A. Muscle insulin resistance: assault by lipids, cytokines and local macrophages. Curr. opin. Clin. Nutr. Metab. Care. 2010; 13 (4): 382-90.
34. De Vries M.A., Klop B., Janssen H.W., Njo T.L., Westerman E.M., Castro Cabezas M. postprandial inflammation: targeting glucose and lipids. Adv. Exp. Med. Biol. 2014; 824: 161-70.
35. Koutsari C., Ali A.H., Mundi M.S., Jensen M.D. Storage of circulating free fatty acid in adipose tissue of postabsorptive humans: quantitative measures and implications for body fat distribution. Diabetes. 2011; 60 (8): 2032-40.
36. Guilherme A., Virbasius J.V., Puri V., Czech M.P. Adipocyte dysfunctions linking obesity to insulin resistance and type 2 diabetes. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 2008; 9 (5): 367-77.
37. Jay A.G., Chen A.N., Paz M.A., Hung J.P., Hamilton J.A. CD36 binds oxidized low density lipoprotein (LDL) in a mechanism dependent upon fatty acid binding. J. Biol. Chem. 2015; 290 (8): 4590-603.
38. Vey Yu.E., Ksia D.Sh., Yang V.K., Vong K.G., Chen K.Zh., Dong N.G. Secretory activities of adipocytes and macrophages during inflammation and/or insulin resistance and the effects of preadipocytes to adipocytes in the same conditions. Biokhimiya. 2014; 79 (7): 83444. (in Russian)
39. Alkhateeb H., Chabowski A., Glatz J.F., Luiken J.F., Bonen A. Two phases of palmitate-induced insulin resistance in skeletal muscle: impaired GLUT4 translocation is followed by a reduced GLUT4 intrinsic activity. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2007; 293 (3): E783-93.
40. Franekova V., Angin Y., Hoebers N.T., Coumans W.A., Simons P.J., Glatz J.F. et al. Marine omega-3 fatty acids prevent myocardial insulin resistance and metabolic remodeling as induced experimentally by high insulin exposure. Am. J. Physiol. Cell. Physiol. 2015; 308 (4): C297-307.
41. Flachs P., Rossmeisl M., Kopecky J. The effect of n-3 fatty acids on glucose homeostasis and insulin sensitivity. Physiol. Res. 2014; 1: S93-118.
42. Ogasawara J., Izawa T., Sakurai T., Sakurai T., Shirato K., Ishibashi Y. et al. The Molecular Mechanism Underlying Continuous Exercise Training-Induced Adaptive Changes of Lipolysis in White Adipose Cells. J. Obes. 2015; 2015: 473430.
Received 19.10.15
