Биоэнергетика сердца

ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ЛЕКЦИЯ

НА ТЕМУ: «БИОЭНЕРГЕТИКА СЕРДЦА»

РАПОВЕЦ В.А., врач-кардиолог

СОДЕРЖАНИЕ

Общие положения

Вступление

Аэробное окисление глюкозы и ЖК

Митохондрии

Транспорт Е 

Заключение

Общие положения

Современная кардиология немыслима без изучения процессов на молекулярном и субмолекулярном уровнях. Только благодаря современным тонким методам исследования стали возможны открытия в области такой науки, как биоэнергетика сердца.

Одна из функций, присущих всему живому, - способность к энергообеспечению за счет от тех или иных внешних энергетических ресурсов. Это и изучает биоэнергетика. Само слово вошло в обиход с легкой руки А. Сцепт - Дьерди, прославившегося в свое время выделением первого витамина - аскорбиновой кислоты. Так называлась небольшая книжка, опубликованная А. Сцепт -Дьерди в 1956 г. В этом труде было множество увлекательных мыслей и гипотез, но испытание временем выдержало лишь слово, вынесенное автором на обложку.

Сначала в некоторых биологических центрах появились лаборатории, отделы биоэнергетики (отдел МГУ был создан в 1965 г.). Затем с конца 60-х годов стали издаваться журналы и сборники, пошли симпозиумы, конференции, курсы под этим названием. И вот сегодня биоэнергетика - одно из популярных научных направлений со своим кругом идей, объектов и методов, своими лидерами и соперничающими школами; словом, - интернациональный организм, живущий и развивающийся по собственным законам.

Вслед за известными успехами этой ветви биологии пришла мода и появилась тенденция писать слово «биоэнергетика» во всех случаях, где идет речь об энергетическом аспекте живых существ, невзирая на степень их сложности. В этом смысле первым биоэнергетиком нужно признать Платона, размышлявшего о судьбе пищи в организме. Что же до современных исследователей, пытающихся добыть точные сведения о биологических преобразователях Е, то их правильнее называть «молекулярными биоэнергетиками». Сейчас непосредственно о биоэнергетике сердца.

Вступление

Энергетический метаболизм клеток сердца включает в себя 3 раздела:

1-й раздел: процессы аэробного окисления глюкозы и ЖК, которые приводят к образованию АТФ в митохондриях;

2-й раздел: процесс внутриклеточного транспорта Е;

3-й раздел: реакции использования Е:

а) для сокращения миофибрилл;

б) перенос ионов против градиента их концентрации через клеточные мембраны;

Примечание. Эти два процесса взаимосвязаны и их рассмотрим вместе

Сейчас перейдем к первому большому разделу: образованию энергии.

1-й раздел: процессы аэробного окисления глюкозы и ЖК

Источником биологической Е для организма служит пища, в которой эта Е заключена в химических связях сложных соединений, главным образом, - в связях С-С и С-Н.

Биохимические процессы, производящие Е, можно подразделить на 2 группы:

1-я группа: процессы, идущие с поглощением О2 воздуха;

2-я группа: без доступа кислорода.

Биологический синтез любой химической связи требует в 3 раза больше Е, чем может образоваться при простом расщеплении подобной связи. Поэтому организм прибегает к обходному пути, чем достигает больший кпд.

Аэробный путь был открыт в 30-х годах Энгельгардтом и назван окислительным фосфорилированием, потому что на промежуточных этапах окисления освобождающаяся Е фиксируется в пирофосфатных связях молекул АТФ и других соединений. Эти связи Энгельгардт назвал макроэргическими - т.е., высокоэнергетическими. АТФ и ее аналоги играют роль универсального аккумулятора Е в организме. В этом соединении Е концентрируется в удобной форме, пригодной для утилизации. Процессы, идущие с выделением Е, связаны с синтезом АТФ. Процессы с поглощением Е сопряжены с расщеплением АТФ. Таким образом, АТФ выступает связующим звеном между ними. Благодаря АТФ, 2 процесса расчленяются во времени. Это придает Е-обмену большую гибкость. Е - законсервирована и может расходоваться в любое время и на любые нужды.

АТФ не только посредник, но и депо Е. Во время работы количество АТФ уменьшается, идут реакции гликолитического фосфорилирования: увеличиваются АДФ, АМф, фосфат неорганический. После нагрузки уровень АТФ восстанавливается.

Роль запаса Е и донора фосфатов для АТФ играет также другой макроэрг - КФ. КФ не поставляет Е для клетки, а обменивает свой фосфат с АТФ. Реакция протекает по уравнению:

Креатин + АТФ  кфк            КФ + АДФ

При энергообразовании реакция идет вправо, идет запас КФ. При потреблении Е - влево - увеличение АТФ. Все субклеточные структуры сердца, которые потребляют Е (миофибриллы, мембраны), - содержат КФК (ММ - изофермент), сопряженную с АТФ -азными    реакцими.

Аэробный путь энергетически более выгодный. Первые его этапы совпадают с гликолизом - до стадии образования ПВК. Но в присутствии О2 ПВК не превращается в МК, а вступает в цикл трикарбоновых кислот Кребса. В цикле Кребса при окислении пирувата образуется 1 макроэргическая связь, сохраняемая в молекуле ГТФ, который передает ее на АТФ.  Такое фосфорилирование называется субстратным.

Вся остальная Е, содержащаяся в субстратах цикла Кребса передается без потерь на ферменты НАД и НАДФ, и фиксируется в их эфирных связях.

Дальнейшее окисление этих коферментов через  флавиновые ферменты и цитрохромную систему называется терминальным. Это самый выгодный участок дыхательной цепи, так как здесь идет больше всего реакций окислительного фосфорилирования. Здесь образуется 3 молекулярных АТФ. Таким образом, Е субстратов цикла Кребса переходит в Е АТФ.

Почти все остальные субстраты имеют неуглеводную природу:- аминокислоты, ЖК, -подвергаясь ферментативным превращениям, образуют либо метаболиты цикла Кребса, или А -Ко - А (активированная форма уксусной кислоты).

В итоге - превращение Е идет или с окислением ПВК или АКоА. 1 молекула ПВК дает 15 макроэргических связей.

Сейчас рассмотрим, как работают митохондрии.

Митохондрии

Функцию выработки и сохранения Е в клетке несут митохондрии. Грин назвал митохондрии биохимическими машинами, которые трансформируют и консервируют Е. Они составляют 25 - 30% всей массы миокарда. Форма их зависит от вида клеток. Митохондрии сердца имеют цилиндрическую форму, расположены между миофибриллами и в непосредственной близости к ним, так как тесный контакт облегчает обмен АТФ.

Это твердые тельца, окруженные гидрофильным золем и заключены в оболочку с избирательной проницаемостью. Мембраны - две. Внешняя - гладкая. Внутренняя образует выпячивания. Палад назвал их кристами. От наружной мембраны внутрь, к центру отходят гребни. Они разделяют митохондрии на камеры, заполненные матриксом. В митохондриях клеток миокарда, где интенсивно идет Е- обмен, число крист - наибольшее. Количество матрикса отражает побочные функции митохондрий. В миокарде его мало. Наружная мембрана и гребни состоят из ЛП и ФЛ.

Киндэй и Шнейдер в 1948 г. нашли в митохондриях полный набор ферментов для цикла Кребса. Грин, Рихтерих в 50-х годах обнаружили ферменты для окисления Б, Ж, У до субстратов цикла Кребса. Наконец, Чейнс, Вильямс показали, что ферменты терминального окисления (цитохромы, НАД) находятся только в митохондриях. Ферменты находятся в строгом порядке, одни - растворены, другие - прочно связаны со структурным белком.

Побочная функция митохондрий - синтез своих структурных белков и некоторых ферментов. Цитохромы, дегидрогеназы поступают от рибосом, извне.

Митохондрии в работе клетки - самое слабое звено. Они очень чувствительны на любое воздействие, особенно, на кислородную недостаточность. Первичной реакцией является торможение окислительного фосфорилирования, называемое мягким разобщением. Это включение свободного окисления.

В 60-х годах Митчел создал хемиоосмотическую теорию, по которой окислительное фосфорилирование есть перенос е*, р*, Н*  во вне через мембрану, способную создавать и удерживать таким образом мембранный потенциал. Этот потенциал и регулирует распределение ионов, в том числе, и возможность обратного входа Н* для синтеза АТФ. Сильные нарушения движения ионов вызывает изменение  РН. При свободном же окислении потенциала нет, и весь поток Е идет по короткому пути, в обход фосфорилирующих реакций, без синтеза АТФ. е*   быстро переносится с восстановителя на окислитель.

Скулачев в 1962 г. показал, что свободное окисление - вынужденная мера, энергетически она не выгодна.

При заболеваниях сердца митохондрии страдают сильнее. Переключение реакций на свободное окисление уменьшает Е - снабжение. В далеко зашедших случаях подавляется и свободное окисление. Визуально наблюдается набухание митохондрий, что приводит к нарушению высокой организации внутренней структуры. Нарушается расположение ферментов и проницаемость мембраны. Возникает порочный круг, так как для восстановления структуры необходим приток Е.

АТФ выходит из митохондрий и не может быть использована миофибриллами. Наступает необратимое разрушение мембраны и гребней. При гипертрофии сердца митохондрии вначале набухают, затем уменьшаются в размерах. Кристы исчезают. Появляются жировые включения.

Функция митохондрий зависит от РН клетки. В кислой среде, когда РН ниже 6,6, - фосфорилирование тормозится, мембраны набухают. Это обратимо. В более кислой среде митохондрии сморщиваются. В щелочной среде митохондрии набухают.

При воздействии КА митохондрии сокращают свои размеры, и буквально, забиты кристами. Таким образом, любое  патологическое состояние ведущее к нарушению обмена веществ (гипоксия, ацидоз, алкалоз, гиперметаболизм) - ведет к обратимому, либо к необратимому повреждению митохондрий.

Главными источниками Е для миокарда являются: глюкоза, лактаты и свободные ЖК. В незначительной степени участвуют кетотела (< 10%).

Как же меняется Е-обмен при различных экстремальных условиях? Нормально функционирующее сердце использует для энергетических целей различные субстраты, в выборе которых сердце весьма лабильно.

В условиях покоя важнейшим источником Е является глюкоза крови, (до 30 %).Утилизация глюкозы миокардом, в основном, определяется не ее концентрацией, а содержанием инсулина.

При мышечной работе потребление глюкозы уменьшается - до 10%. Организм экономит глюкозу для мозга и других органов. А при повышении концентрации глюкозы в крови утилизация ее миокардом возрастает. Окисление жира при этом снижается.

20-30% Е обеспечивают лактаты. Миокард свободно утилизирует из крови МК и ПВК. При мышечной работе лактаты все больше окисляются в миокарде, и дают 70% всей Е. Лишь при пульсе 190-200 ударов в минуту в сердце начинает преобладать анаэробный метаболизм, с выделением МК.

Сердце окисляет также СЖК, которые при голодании и натощак становятся основным источником. Е.

В последнее время подчеркивается роль в обмене миокарда ТГ и ЖК. В покое доля СЖК - 40%, ТГ - 15%. Во время работы доля жиров уменьшается в 2 раза.

Такую лабильность следует рассматривать как проявление адаптации миокарда к различным условиям функционирования.

Транспорт Е

В сердечных клетках Е переносится от митохондрий КФ ко всем местам использования: миофибриллам и клеточным мембранам, субклеточным мембранам. КФ-пути внутриклеточного транспорта  Е   в сердечных клетках приведены на схеме.

Схема   КФ-пути внутриклеточноготранспорта   Е   в сердечных клетках

1-2 Главным макроэргом, выходящим из митохондрий, является КФ. В митохондриях работает замкнутый   цикл превращения АТФ и АДФ, связанный  через   КФК - митохондрий.

3А Сила сокращения миофибриллы и длительность ПД коррелирует не с концентрацией АТФ, а с КФ, который, в свою очередь, от креатинина. Таким образом, на силу сокращения влияет не только поток Са⁺⁺, но и концентрация КФ. КФ через КФК миофибриллы рефосфорилирует АДФ для акта сокращения.

3В Локализация КФК на мембране клеточного ядра позволяет считать, что     Е - КФ используется в биосинтетических процессах ядра.

Обеспечивая эффективный транспорт Е, КФК - реакции выполняют также регуляторную функцию, участвуя в системе обратной связи между процессами образования и использования Е. Точное выяснение природы обратной связи требует дальнейшего изучения.

3-й раздел: Реакции использования Е

Для того, чтобы понять, как происходит сокращение мышцы сердца, необходимо знать строение кардиального миоцита.

Клетка на поперечном срезе содержит  : ядро, миофибриллы, митохондрии, Т-система, СПР.

 Основную массу клетки занимают миофибриллы. Их число доходит до 400-700 тысяч. Миофибриллы представляют длинные нити, которые переходят из саркомера в саркомер. Они состоят из 2 типов нитей. Толстые, нити миозина, находятся по середине соркомера. Ось миозина образует легкая субъединица - L-меромиозин.   H- меромиозин   - главная, тяжелая субъединица, снабжена головками, на расстоянии 400 А°, которые образуют мостики с актином.

Нити актина - тонкие, расположены между толстыми, в области Z - линии   каждая соединена с   3-4 - мя   соседнего саркомера.

F- актин за счет   Е - АТФ может переходить в G - А, глобулярный А.  К актину прикреплен тропомиозин, который не фиксирован  и может перемещаться. Он блокирует главные центры актина. Тропомиозин несет на себе тропонин.

Тропонин имеет 3 субъединицы:

- TN - C - связывающая Са⁺⁺;

- TN - I - ингибитор актина;

- TN - T - привязывает тропонин к тропомиозину.

Таким образом, тропонин - тропомиозин - в комплексе блокирует актин.

Сейчас о роли Са⁺⁺     в сокращении.  Главное депо Са⁺⁺ - это T - система, СПР и митохондрии. T- система образуется выпячиваниями сарколеммы   в области Z - линии внутрь клетки.

СПР состоит из сети продольных трубочек и латеральных цистерн, где и концентрируется Са⁺⁺ для очередного залпа. В цистернах содержится мукополисахарид, который быстро связывает Са⁺⁺. Таким образом, свободный Са⁺⁺, попав в продольную сеть, движется к цистернам, где его концентрация меньше, а связанного - больше, это - транслокация Са⁺⁺.   Запас Са⁺⁺ создается только на 1 залп. Цистерны близко прилегают к T - системе.

Во время плато ПД увеличивается проницаемость мембраны для Са⁺⁺, и он входит в клетку через Cа - каналы.

Это медленный Са⁺⁺ ток. Дальше часть Са используется в миофибриллах для сокращения, равного 40 % всего Са. Вторая часть поступает в СПР, про запас. Когда деполяризация достигает T - системы, срабатывает Na - триггер, и СПР выбрасывает весь запас Са из цистерн. Это 60 % всего Са. В соркоплазме концентрация Са увеличивается в 100 раз, с 10^-8 до 10^-5 М.

Для расслабления необходимо уменьшить его концентрацию в миофибриллах.

1-й механизм:

Обмен Na - Cа. Cа удаляется из клетки против концентрационного градиента за счет Е

движения Na внутрь клетки, по концентрационному градиенту. Это Na - Cа - насос.

2-й механизм:

Кальциевый насос продольных трубочек СПР быстро поглощает Са⁺⁺ из миоплазмы. Сам Cа активирует свое поглощение, стимулируя АТФ - азу мембраны СПР. АТФ дает Е для транспорта Са⁺⁺  против градиента концентрации.

Эти процессы начинаются еще во время систолы и препятствуют сильному напряжению. Время транслокации Са⁺⁺  в цистерны и определяет восстановление сердечной мышцы. Благодаря ему не происходит титанических сокращений.

Концентрация Са⁺⁺   вблизи миофибрилл уменьшается, Cа покидает тропонин - тропо - миозиновые комплексы, так как СПР поглощает его в 3 раза более активнее, наступает расслабление.

Таким образом, во время ПД медленный ток Cа в клетку предопределяет и сокращение, и включение механизма расслабления.

Быстрый ток Na в клетку вызывает выход Са⁺⁺   из СПР - триггер и дает Е для удаления Cа  из клетки.

3-й насос - K- Na, за счет Е АТФ, удаляет Na, и возвращает K. Наступает реполяризация мембраны, и клетка переходит в исходное состояние.

Таким образом, необходимо говорить о едином механизме сопряжения возбуждения с сокращением и расслаблением.

Собственно мышечное сокращение происходит следующим образом. Когда Са⁺⁺   присоединяется к тропонину - С (TNC), в нем происходят конформационные изменения, в результате чего тропонин - тропомиозин - комплекс сдвигается и обнажает центры актина. Головки H-меромиозина образуют мостики с нитью актина. Используются Е - АТФ, ионы Са⁺⁺, Mg⁺⁺.

Свойства фермента - АТФ - азы проявляет сам H-меромиозин.

Мостики образуются и вновь разрушаются. Таким образом, нити актина скользят между миозином к центру соркомера, каждый раз на 1 шаг - 400 А°.

Мышца укорачивается, происходит систолическое сокращение. В результате химическая Е связей АТФ переходит в механическую работу.

 Тропонин - тропомиозин - комплекс (с TN-I) блокирует актин. Ионы Са⁺⁺ проходят через поры мембраны, и из СПР, Cа взаимодействует с TN - C, тропонин - тропомиозин поворачиваются, актин взаимодействует с миозином.

 Cа уходит из клетки или в СПР.

Заключение

Таким образом, согласованное во времени протекание всех 3-х реакций - образования, транспорта и использования Е - обеспечивается эффективными механизмами их взаимной регуляции. Главный фактор, влияющий на Е - метаболизм - сам акт сокращения, регулируемый потоком Са⁺⁺ во время плато ПД. Особенность сердца состоит в том, что значительное увеличение работы и потребления О2 мало изменяют концентрацию макроэргов в клетке (АТФ и КФ). В сердце велик метаболический оборот этих соединений, эффективная обратная связь:

Синтез Е                Расход Е

Мы рассмотрели главные пути обмена Е в миокарде. Пока еще не  все  ясно. Многие вопросы еще требуют изучения.