Влияние инсулина на цикл трикарбоновых кислот

Цикл трикарбоновых кислот

Цикл трикарбоновых кислот всегда был и будет ключевым вопросом в изучении биохимии. В данном материале, безусловно, раскрываются не все его аспекты, это скорее попытка донести основную информацию о нем всему медицинскому сообществу с целью обратить внимание на клиническое значение этого биохимического процесса.

ВВЕДЕНИЕ

Жизнь на Земле существует благодаря солнечному свету. Автотрофные организмы используют энергию света для синтеза органических соединений, обладающих запасом внутренней энергии, из СО2 и H2O. В свою очередь, гетеротрофные организмы используют энергию органических соединений, поступающих с пищей. Основным способом преобразования этой энергии для нужд жизнедеятельности является биологическое окисление или тканевое дыхание. Под тканевым дыханием понимается катаболизм органических веществ клетками с участием O2 и выделением СО2 и H2O. Больше всех от обогащения атмосферы Земли кислородом во времена протерозоя выиграли альфа-протеобактерии.

Концентрация O2 в различных клетках колеблется от 6 до 175 мкМ, и основная его часть, потребляемая эукариотами, восстанавливается в митохондриях до H2O. Любопытно, что кислород является сильным окислителем, но кинетически представляет собой довольно инертную молекулу, и способность к ее ферментативному восстановлению в клетке путем поочередного присоединения электронов имеют металлы переменной валентности (Fe 2 + /Fe 3+ , Cu + /Cu 2+ , Mn 2+ /Mn 3+ ), а также низкомолекулярные органические соединения (хиноны и флавины, которые являются кофакторами и коферментами соответственно). Общий путь катаболизма является эволюционно сложившимся биохимическим механизмом. Этот механизм состоит из трех этапов:

  1. окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты (пирувата) до ацетил-КоА в цитоплазме клеток;
  2. цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) в митохондриях (хотя бывают исключения, например, ГАМК-шунт в нейронах, у растений или восстановительный цикл трикарбоновых кислот (ВЦТК) у некоторых видов бактерий);
  3. синтез АТФ в цепи переноса электронов (ЦПЭ) или электрон-транспортной цепи.

Все три этапа связаны: конечный продукт одного является начальным субстратом следующего.

ЦТК — филогенетически старый вариант метаболизма, но не самый древний. Более того, с позиции химии это не самый оптимальный путь окисления ацетата (его активной формы — ацетил-КоА) до СO2. Вообще, синтез, взаимопревращение и разрушение промежуточных метаболитов (пируват, ацетил-КоА), а также все компоненты ЦТК считаются случайным приобретением эукариот вследствие их симбиогенеза с прокариотами (альфа-протеобактериями). Последние в дальнейшем преобразовались в эукариотические органеллы — митохондрии [1]. Такая теория находит отклик в том, что ферменты ЦТК синтезируются с использованием не только митохондриальных генов, но и ядерных.

Примечательно, что ЦТК не имеет прямого отношения к аэробному дыханию (филогенетически более новому способу окисления по сравнению с анаэробным дыханием), но снижение концентрации О2 у аэробов подавляет его реакционную способность. Дело в том, что синтезированные в ходе ЦТК НАДH + +Н + и ФАДH2 далее переносят Н + на ЦПЭ и восстанавливают кислород, поступивший в процессе дыхания, до H2O. Образуемый потенциал между митохондриальным матриксом и межмембранным пространством превращается в энергию связей АТФ.

Преобразования веществ в данном цикле носят окислительный характер независимо от того, говорим мы об аэробном или анаэробном процессе предшествующего окисления глюкозы. На сегодняшний день исследовано множество анаэробных организмов, у которых есть набор метаболитов ЦТК, но вместо последовательного окисления субстраты в них подвергаются восстановлению [2]. Такой цикл получил название ВЦТК или цикл Арнона.

Таким образом, компоненты ЦТК (рисунок 2) и ВЦТК (рисунок 3) являются универсальной последовательностью для известных форм жизни [3].

Хемотрофы (водородобактерии, серобактерии, метанобактерии, железобактерии, нитрифицирующие бактерии) — это прокариоты и, пожалуй, одни из самых древних форм жизни, начало которым было положено в архей (отсюда и одноименное название домена — Archaea). Для них именно ВЦТК является началом путей биосинтеза органических веществ. Например, хемолитоавтотрофы рода Thiobacillus получают энергию в результате окислительно-восстановительных преобразований неорганических соединений и в процессе хемоассимиляции СO2. В настоящее время нет достоверных сведений о наличии ВЦТК у эукариот [4,5], поэтому для изучения метаболических путей взаимопревращения углеродсодержащих веществ логично рассмотрение не варианта ВЦТК, в котором имелся какой-то примитивный источник энергии, не представленный органическими веществами, а ЦТК как более позднего и нового приобретения эволюции, но не противоречащего теории симбиогенеза.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЦТК

В 1930 году некоторые из компонентов ЦТК открыл Альберт Сент-Дьерди. В частности, он установил, что при добавке сукцината, фумарата и малата к измельченной мышечной ткани поглощается большее количество кислорода, чем требуется для окисления, тем самым придя к выводу, что кислоты являлись катализаторами, но сами не претерпевали изменений. Сент-Дьерди первый, кто непосредственно описал ЦТК и в 1937 году был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине «За исследования биологического окисления и в особенности за открытие витамина С и катализа фумаровой кислотой» [6].

Однако полную последовательность реакций и образующихся соединений в 1937 году установил Ханс Адольф Кребс. В 1953 году он получил Нобелевскую премию «За открытие цикла лимонной кислоты» (разделил с Фрицем Альбертом Липманом, получившим премию «За открытие кофермента А и его значения для промежуточных стадий метаболизма») [7]. С тех пор ЦТК имеет авторское узнаваемое название — цикл Кребса.

Для чего нам эта историческая справка? Что ж, кто-то разбрасывает камни, а кто-то умело их собирает… Если рассматривать ее в контексте медицины, то эти прорывные, сложные и даже революционные открытия были сделаны не так уж и давно. Мы знаем мало. Мы в начале пути.

ЦИКЛ КРЕБСА

Наконец, о главном! Пусковым механизмом ЦТК является ацетил-КоА. Разберем, из чего он может синтезироваться.

Возьмем всем известный моносахарид — глюкозу, — которая в организме человека подвергается гликолизу (рисунок 4). В результате гликолиза из одной молекулы глюкозы получается две молекулы пирувата. Фактически шестиуглеродная цепь глюкозы в ходе окисления разделяется пополам. Суммарное уравнение гликолиза будет выглядеть так:

Глюкоза + 2НАД + + 2АДФ + 2Н3РО4 → 2Пирувата + 2НАДH + + 2Н + + 2ATФ + 2Н2O

Схема реакций гликолиза (путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса). Реакции окисления глюкозы занимают 10–11 стадий, которые можно разделить на подготовительный этап — до образования 3-фосфоглицерата — и этап непосредственного синтеза АТФ. Ко всему прочему, суммарный выход АТФ при гликолизе составляет 2 молекулы при условии, что другие 2 молекулы расходуются на подготовительном этапе.

Стоит оговорить некоторые детали. Гликолиз — это не только окисление глюкозы. Другие углеводы тоже окисляются по этому пути, но только в том случае, когда они превращаются в его компоненты. Например, фруктоза при участии одной молекулы АТФ превращается в фруктоза-6-фосфат — такое преобразование происходит в мышцах и почках. Гликолиз — это анаэробный процесс. Так, в эритроцитах он является единственным путем поддержания их биоэнергетики.

Синтез пирувата осуществляется в цитоплазме клеток в результате гликолиза, а процесс ЦТК идет в матриксе митохондрий. Следовательно, пирувату надо попасть из одного компартмента в другой. Проблема в том, что пируват является полярной молекулой и не может проникнуть через внутреннюю мембрану митохондрии, проницаемую только для О2, СО2 и H2O, с помощью простой диффузии, в то время как внешняя мембрана проницаема для малых молекул и ионов.

Транспорт пирувата в митохондриальный матрикс происходит при участии белка транспортера, который по последней классификации IUPAC (Международного союза теоретической и прикладной химии) и NC-IUBMB (Комитета по номенклатуре Международного союза биохимии и молекулярной биологии) относят к транслоказам с механизмом симпорта H + во внутренней мембране. Для участия в ЦТК необходима ацетильная группа пирувата — СН3–С=О, — однако этому мешает полярная карбоксильная группа, отщепить которую возможно только путем окислительного декарбоксилирования с участием специального фермента в митохондриальном матриксе — пируватдегидрогеназного комплекса. В итоге образуется необходимый ацетил-КоА, и реакция становится необратимой (рисунок 5).

Пируватдегидрогеназный комплекс включает в себя три фермента, пять коферментов и два вспомогательных белка.

Ферменты:
1) пируватдегидрогеназа или пируватдекарбоксилаза (Е1);
2) дигидролипоилтрансацетилаза (Е2);
3) дигидролипоилдегидрогеназа (Е3).

Коферменты или простетические группы:
1) тиаминпирофосфат;
2) ФАД;
3) КоА;
4) НАД;
5) липоат.

Среди компонентов этих коферментов есть четыре витамина и одно витаминоподобное вещество, которые человек получает преимущественно с пищей:
1) тиамин (B1) для синтеза тиаминпирофосфата;
2) рибофлавин (B2) для синтеза ФАД;
3) пантотенат (B5) для синтеза КоА;
4) ниацин (B3) для синтеза НАД;
5) липоевая кислота (липоат).

Кстати, далее, по ходу всех стадий, будет понятна роль витаминов в ЦТК. Стоит обратить внимание, что при алиментарной недостаточности компонента пируватдегидрогеназного комплекса тиамина (витамин В1) развивается болезнь бери-бери (рисунок 6), которая на сегодняшний день встречается редко и характерна для слаборазвитых стран.

Вспомогательные белки для протекания сопутствующих реакций фосфорилирования:
1) протеинкиназа;
2) фосфопротеинфосфосфатаза.

Белки

Они очевидно распадаются до аминокислот. И самое важное, что стоит отметить: аминокислоты невероятно пластичны. Путем реакций трансаминирования (ферментативные реакции переноса аминогруппы с аминокислот на кетокислоты) (рисунок 8) организм может получать не только глюкозу и пируват, но также субстраты ЦТК — α-кетоглутарат, оксалоацетат. Более того, такие аминокислоты, как серин, аланин, триптофан и другие могут превратиться в ацетил-КоА, минуя превращение до пирувата (рисунок 9).

Этанол

Алкогольдегидрогеназа печени окисляет этанол до ацетальдегида (рисунок 10). В ходе последующей реакции токсичный ацетальдегид в той же печени при участии альдегиддегидрогеназы окисляется до уксусной кислоты, которая претерпевает превращения с образованием ацетил-КоА.

Кетоновые тела

Если для синтеза ацетоацетата (рисунок 11) в митохондриях гепатоцитов необходимо наличие двух молекул ацетил-КоА, пришедших в результате обильного поступления ВЖК в печень или при обезвреживании этанола, то его катаболизм клетками организма (рисунок 12) вновь приводит к образованию двух молекул ацетил-КоА, которые отправятся в ЦТК.

Выходит, что белки, жиры и углеводы являются источниками не только ацетил-КоА, который «закрутит колесо ЦТК», но и незаменимых для его стадий субстратов.

Восстановительные и окислительные реакции ЦТК обратимы, исключение составляют три стадии, задающие направление цикла только в окислительную сторону: превращение оксалоацетата в цитрат, окисление изоцитрата до α-кетоглутарата и окисление α-кетоглутарата до сукцинил-КоА.

СТАДИИ ЦТК

Далее подробно остановимся на каждой из восьми стадий:
I стадия — образование цитрата;
II стадия — образование изоцитрата;
III стадия — окисление до α-кетоглутарата;
IV стадия — окисление до сукцинил-КоА;
V стадия — образование сукцината;
VI стадия — окисление до фумарата;
VII стадия — гидратация до малата;
VIII стадия — окисление до оксалоацетата.

I стадия — образование цитрата

Оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота) соединяется с ацетил-КоА в присутствии фермента цитратсинтазы (рисунок 13) и кофермента — биотина (известного как витамин B7). Биотин является необходимым компонентом в реакции окислительного декарбоксилирования пирувата с участием АТФ, в результате чего образуется сам оксалоацетат в присутствии пируваткарбоксилазы (пируватдегидрогеназный комплекс), простетической группой которой является биотин. Так получается трикарбоновый цитрат — лимонная кислота, поэтому ЦТК иногда называют циклом лимонной кислоты.

Осуществление I стадии не является простым делом, т. к. валентность ацетил-КоА предельна. Но у него имеется карбонильный (С=О) участок, превращающийся в гидроксильный (С–ОН) благодаря цитратсинтазе (кодируется ядерным геном CIT1). Промежуточный продукт — цитроил-КоА, образующийся в активном центре фермента, — гидролизуется до свободного КоА и цитрата.
Эта стадия ЦТК является одной из немногих необратимых реакций, поэтому уровень экспрессии CIT1 оказывает влияние на остальные стадии цикла.

II стадия — образование изоцитрата через цис-аконитат

Из цитрата необходимо получить его изомер в присутствии фермента аконитазы (аконитатгидратазы), которая будет проводить дегидратацию цитрата и следом гидратацию полученного промежуточного соединения (трикарбоновой кислоты цис-аконитата) для получения изоцитрата, т. е. является одновременно и изомеразой, и гидратазой (рисунок 14).

Аконитаза (лат. aconítum — борец, была открыта в растении Aconítum napéllus) — название данного соединения по международной номенклатуре — цитрат (изоцитрат) гидролаза, но такое название не дает описания его функции. Фермент имеет митохондриальную и цитоплазматическую изоформы, кодируемые ядерными генами ACO1 на p-плече 9 хромосомы и ACO2 на q-плече 22 хромосомы соответственно. Митохондриальная изоформа фермента превращает цитрат в изоцитрат (разрушение гена ACO1 приводит к неспособности провести эту стадию ЦТК [8]), а цитоплазматическая выполняет две функции: катализирует превращение цитрата в изоцитрат, но поставляет субстрат для цитоплазматической изоцитратдегидрогеназы, которая образует НАДФН-оксидазу в качестве восстановителя для синтеза ВЖК, и эта изоформа участвует в регуляции гомеостаза железа в клетке.

III стадия — окисление изоцитрата до α-кетоглутарата

Начиная с этой стадии цикл перестает быть трикарбоновым с точки зрения химических структур последующих субстратов. Здесь фермент изоцитратдегидрогеназа катализирует окислительное декарбоксилирование изоцитрата с образованием α-кетоглутарата (оксоглутарата) и СО2. Реакция проходит через промежуточное соединение — оксалосукцинат — и является необратимой.

Кроме декарбоксилирования в этой реакции происходит восстановление кофермента HAД (НАДФ, никотинамидадениндинуклеотидфосфат) до НАДH + +H + (НАДФН) (рисунок 15). Что такое НАД? Никотинамидадениндинуклеотид является коферментом и активированным вариантом никотиновой кислоты (ниацин, витамин В3). Ферменты, обеспечивающие синтез НАД из никотиновой кислоты, сконцентрированы в ядре клетки.

Изоцитратдегидрогеназа является октамером, состоящим из четырех субъединиц Idh1p и четырех субъединиц Idh2p, кодируемых генами второй хромосомы IDH1 (внемитохондриальный) и IDH2 (внутримитохондриальный) соответственно, и этот фермент находится под контролем различных аллостерических эффекторов. Гены IDH1 и IDH2 транскрибируются независимо друг от друга, при этом изменение экспрессии любого из них не влияет на транскрипцию другого, но гетерозиготные мутации в любом из генов изоцитратдегидрогеназы приводят к снижению активности фермента с сохранением функции [9].

Кроме того, есть структурно не связанный с IDH1 и IDH2 митохондриальный ген IDH3, который является интегральным для ЦТК. Суть в том, что IDH1 и IDH2 полагаются на кофермент НАДФ как на акцептор получаемых в ходе окислительного декарбоксилирования электронов, а IDH3 связан именно с НАД. Поэтому изоцитратдегидрогеназа принадлежит трем отдельным изоформам, одна из которых связана с НАД, а две другие с НАДФ, но функционально они одинаковы.

Более того, эта стадия является скорость-лимитирующей для всего ЦТК. Окисление изоцитрата до α-кетоглутарата происходит медленно по той простой причине, что IDH3 аллостерически ингибируется образующимся НАДH + +H + , α-кетоглутаратом и АТФ, а активируется НАД+, изоцитратом и АДФ.

IV стадия — окисление α-кетоглутарата до сукцинил-КоА

Далее происходит такое же окислительное декарбоксилирование как и с пируватом. Теперь α-кетоглутарат необратимо превращается в сукцинил-КоА и СО2 (рисунок 16). А значит и выполнять окислительное декарбоксилирование будет достаточно похожий фермент — α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс. Он близок к пируватдегидрогеназному комплексу по структуре, функциям и также включает три субъединицы: КЕ1/КЕ2/КЕ3, каждая из которых кодируется отдельным ядерным геном KGD1, KGD2 и LPD1 соответственно [10].

В результате реакции у α-кетоглутарата отщепляется группа –СООН в α-положении. Отщепление кислотного остатка в результате даст CO2 и атом водорода, последний пойдет на восстановление НАД двумя атомами водорода (второй атом НАД получает от HS–КоА, который образуется на I стадии). Бывшему α-кетоглутарату к С=О присоединяется свободная теперь группа –SКоА и получается сукцинил-КоА.

V стадия — превращение сукцинил-КоА в сукцинат

Сукцинил-КоА скорее вынужденное соединение, которое противоречит последовательности предыдущих стадий, но при этом может формировать новый порядок реакций. Доказательством тому является возможность альтернативного хода ЦТК под названием ГАМК-шунт (рисунок 17) в нейронах и астроцитах центральной нервной системы, где IV стадия заканчивается превращением не в сукцинил-КоА, а в глутамат, который декарбоксилируется в ГАМК (тормозный нейромедиатор). Затем ГАМК метаболизируется сначала до сукцинилового полуальдегида, а потом до сукцината — продукта V стадии.

Сукцинил-КоА-синтетаза функционирует в виде гетеродимера и состоит из субъединиц α и β, необходимых для его каталитической активности и кодируемые генами LSC1 и LSC2 соответственно [11]. Он отщепляет –SКоА, водород для его связки будет взят у H3PO4, а оставшаяся фосфорная группа H2PO4 — присоединится к ГДФ или АДФ с образованием ГТФ или АТФ. Образование ГТФ у животных или АТФ у растений за счет энергии, запасенной при окислительном декарбоксилировании α-кетоглутарата, является реакцией субстратного фосфорилирования, как и синтез ATФ при гликолизе (таблица 1).

VI стадия — окисление сукцината до фумарата

Сукцинат (янтарная кислота) окисляется до фумарата под действием оксидоредуктазы — сукцинатдегидрогеназы (у эукариот это митохондриальный хромопротеин и единственный фермент ЦТК, который закреплен во внутренней мембране митохондрий). Активный центр фермента образуют субъединицы, содержащие флавин и железо-серные группы, кодируемые генами SDHA и SDHB соответственно [12,13]. Закрепление фермента в мембране митохондрии осуществляется с помощью двух гидрофобных субъединиц, кодируемых генами SDHC и SDHD [14,15]. Для сборки функционального комплекса необходим шаперон семейства Hsp60-Tcm62p [16].

В этой реакции от сукцината отщепляются два атома водорода, но коферментом будет являться не НАД или НАДФ, как в предыдущих реакциях, а флавинадениндинуклеотид (ФАД) (образуется из рибофлавина, витамина B2), т. к. этот кофермент является ковалентно связанной простетической (небелковой) группой сукцинатдегидрогеназы. В итоге в исходном соединении просто создается двойная связь.

Изучая эту стадию подробно, непременно столкнешься с понятием об убихиноне (кофермент Q) (рисунок 19). Этот компонент ЦПЭ принимает участие в окислительном фосфорилировании как компонент митохондриального ферментного комплекса (МФК). Всего же на сегодня изучено четыре МФК (1 — НАДН-дегидрогеназный комплекс, 2 — сукцинатдегидрогеназа, 3 — убихинон-цитохром С-оксидоредуктаза, 4 — цитохромоксидаза). Функционирование МФК 1 и 3 приводит к генерации активных форм кислорода (АФК).

Таким образом, сукцинатдегидрогеназа является одновременно ферментом этой стадии и обязательным компонентом ЦПЭ. Какова ее функция в ЦПЭ? Дело в том, что в комплексе НАДH + +H+ помимо Н + переносятся еще и электроны, которые будут отдаваться МФК 1, а потом МФК 2 и 4, создавая необходимый пул электронов. К слову, вновь о роли аминокислот в организме человека: убихинон синтезируется из аминокислот тирозина, фенилаланина и мевалоновой кислоты (субстратом для синтеза мевалоновой кислоты служит ацетил-КоА).

VII стадия — гидратация фумарата до малата

Полученная двойная ковалентная связь между атомами углерода фумарата будет подвергаться гидратации до малата (L-малата, яблочной кислоты) при действии гомотетрамерного фермента фумаратгидратазы или фумаразы (рисунок 20). Фумараза стереоспецифична к транс-изомерам, а не цис-изомерам.


VIII стадия — окисление малата до оксалоацетата

Последняя стадия ЦТК (рисунок 21).

Реакция сопровождается действием уже привычной НАД-зависимой дегидрогеназы — L-малатдегидрогеназы. Митохондриальная малатдегидрогеназа эукариот функционирует в виде гомодимера, субъединицы которого закодированы ядерным геном MDH1 [20].

ИТОГИ

Освобождающаяся в результате окисления одной молекулы ацетил-КоА энергия в значительной мере сосредоточивается в макроэргических фосфатных связях АТФ. В ходе ЦТК синтезируется также одна молекула ГТФ (субстратное фосфорилирование), что эквивалентно одной молекуле АТФ при действии фермента нуклеозиддифосфаткиназы. Полученные НАДH + +H + и ФАДН2 понесут Н + для работы АТФ-синтазы путем их передачи через 1, 3 и 4 МФК на внутренней мембране митохондрий (кристы).

При этом на 1 НАДH + +H + будет приходится 3 АТФ, а на 1 ФАДН2 придется только 2 АТФ из-за передачи электронов на МФК 1, 3 и 4 ЦПЭ с меньшей энергией, чем у НАД. Вследствие этого электроны от ФАД-зависимых дегидрогеназ поступают в ЦПЭ на МФК 2, минуя первый пункт сопряжения — НАДН-дегидрогеназный комплекс.

Энергетический выход одного ЦТК:
— 3 НАДH + +H + = 9 АТФ
— 1 ФАДН2 = 2 АТФ
— 1 ГТФ = 1 АТФ

Итого: получаем 12 АТФ из одного ацетил-КоА. Так как основным источником энергии являются углеводы, то не стоит забывать, что при гликолизе мы из одной молекулы глюкозы получаем две молекулы пирувата, поэтому смело удваиваем значение АТФ до 24 и прибавляем 2 НАДH + +H + и 2 АТФ, полученных при гликолизе, а также 2 НАДH + +H + , полученных в ходе реакций окислительного декарбоксилирования пирувата. В идеально работающей системе при расщеплении в тканях одной молекулы глюкозы получается 38 АТФ согласно уравнению:

В энергетическом отношении полное расщепление глюкозы является более эффективным процессом, чем анаэробный гликолиз.

Из вышесказанного следует, что основная роль ЦТК заключается в поставке Н + и электронов в ЦПЭ благодаря НАДH + +Н + . Кроме того, в самом цикле образуется одна молекула АТФ.

Таблица 1. Образование макроэргических фосфатных связей в ходе катаболизма глюкозы.

РОЛЬ ЦТК В МЕТАБОЛИЗМЕ

ЦТК играет важную роль в процессе анаболизма (рисунок 22): из цитрата синтезируются жирные кислоты, из α-кетоглутарата синтезируется глутамат, а из него глутамин, аргинин, пролин, в свою очередь, из оксалоацетата синтезируется аспартат, который при реакции аминирования образует аспарагин. Сукцинил-КоА как предшественник δ-аминолевулиновой кислоты при его конденсации с глицином будет участвовать в синтезе порфиринов у животных или хлорофилла у растений. Из оксалоацетата в процессе глюконеогенеза будет получена глюкоза.

В процессе катаболизма (рисунок 23) на I этапе крупные молекулы (полимеры) расщепляются до простых компонентов (мономеров): углеводы превращаются в глюкозу, жиры в ВЖК и глицерол, белки в аминокислоты. На II этапе полученные мономеры внутриклеточно специфически расщепляются до одного и того же метаболита — пирувата. Далее пируват (а также некоторые аминокислоты в процессе дезаминирования и ВЖК в процессе β-окисления) окисляется до ацетил-КоА. III этап представляет собой ЦТК и ЦПЭ (общий путь катаболизма), где образованный ацетил-КоА окончательно распадается до CO2 в митохондриях клетки. То есть 2 атома углерода в составе ацетил-КоА входят в ЦТК (I стадия) и 2 атома углерода в составе CO2 покидают его (III и IV стадии).

Также некоторые аминокислоты могут превращаться в субстраты стадий ЦТК: аргинин, гистидин и глутамат в α-кетоглутарат, а фенилаланин и тирозин в фумарат.

Малат-аспартатная челночная система осуществляет перенос НАДH + +H + из межмембранного пространства в митохондриальный матрикс и действует в митохондриях печени, почек и сердца. НАДH + +H + передает H + на оксалоацетат, и образуется малат, который переносится через внутреннюю мембрану митохондрии малат-α-кетоглутаратной транспортной системой. В ЦТК малат превращается в оксалоацетат. Оксалоацетат сам по себе не может вернуться обратно в межмембранное пространство, но может подвергаться действию трансаминазы и превращаться в аспартат, который переносится в межмембранное пространство глутамат-аспартатной транспортной системой. Там аспартат снова переходит в оксалоацетат, который вновь запускает челночную систему.

Следовательно, ЦТК — это амфиболический цикл. С одной стороны, присутствуют выраженные катаболические процессы, но вместе с тем промежуточные продукты ЦТК начинают новые биосинтетические пути, которые приводят к снижению их концентрации. Такое истощение пула промежуточных продуктов должно пополняться путем анаплеротических реакций. Подобную реакцию мы рассмотрели выше, а именно — превращение пирувата в оксалоацетат или челночный механизм.

РЕГУЛЯЦИЯ ЦТК

Скорость реакций ЦТК зависит от обеспеченности клеток энергией АТФ. Активность зависит от соотношения [АТФ]/[АДФ] и [НАДH + +H + ]/[НАД + ] (рисунок 26). То есть общий путь катаболизма активируется при низком энергетическом потенциале клетки или ингибируется при высоком. Соотношение [АТФ]/[АДФ] характеризует электрический заряд клетки (ЭЗК), который выражается формулой:

ЭЗК может меняться от 0 до 1. Метаболические пути, приводящие к синтезу АТФ, ингибируются высоким значением ЭЗК, а ведущие к затрате АТФ, активируются высоким значением ЭЗК.

Для регуляторных ферментов необратимых реакций: пируватдегидрогеназного комплекса, цитратсинтазы, изоцитратдегидрогеназы и α-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса индукторами являются такие субстраты как АДФ, окисленный НАД, а ингибиторами перспективные продукты реакции — АТФ, восстановленный НАД, сукцинил-КоА.

В качестве подтверждения такой зависимости от коферментов и макроэргов рассмотрим некоторые аспекты физиологии и фармакологии. Разобщители тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования, например, тиреоидные гормоны, катехоламины, белок термогенин и некоторые антибиотики или лекарственные препараты — парацетамол, динитрофенол, дикумарин — однозначно противостоят депонированию энергии в АТФ. То есть энергия переноса Н + просто рассеивается в виде тепла из-за того, что при действии разобщителей протоны минуют каналы FОF1-ATФсинтазы (рисунок 27) [21]. Но окислительное фосфорилирование не может происходить, если при этом нет фосфорилирования АДФ с образованием АТФ. Для этого в каналы FОF1-ATФсинтазы должны поступать Н + , так как источником энергии для работы FОF1-ATФсинтазы является трансмембранная разность электрохимических потенциалов. В результате разобщения возрастает концентрация АДФ, потребление O2, окисление НАДН + +Н + и ФАДН 2 , что приводит к высвобождению тепловой энергии.

Трансмембранный белок термогенин синтезируется в клетках бурой жировой ткани. При охлаждении организма эти клетки получают сигнал от симпатической нервной системы, и в них активируется процесс липолиза, что приводит к получению НАДН + +Н + и ФАДН2. Далее активируется ЦПЭ и возрастает электрохимический градиент. Но в мембранах митохондрий клеток бурого жира мало FОF1-ATФсинтазы. Поэтому большая часть энергии Н+ рассеивается в виде тепла, что и позволяет поддерживать температуру тела при охлаждении.

Динитрофенол — вещество для производства антисептиков, красителей, гербицидов — проникает в межмембранное пространство митохондрий, где концентрация Н + выше, и далее с помощью диффузии попадает в матрикс, где концентрация Н + ниже. Там динитрофенол теряет свой Н + , переходит в ионизированную форму и снова возвращается в межмембранное пространство. Тем самым он рассеивает протонный градиент на внутренней мембране митохондрии. Схожим образом динитрофенол может нарушать глиоксилатный цикл — анаплеротический путь ЦТК у растений, грибов, бактерий и простейших.

Особенно выражено действие парацетамола, а точнее метаболита его действующего вещества — ацетаминофена, на митохондрии гепатоцитов [22]. При поражении свободными радикалами этого вещества митохондриальных мембран, образуемые продукты липопероксидации и свободные ионы кальция нарушают трансмембранный потенциал. Далее при нарушении целостности митохондрий происходит провоспалительный сигналинг цитокинами — IL-1β, ФНО-α, а также простагландина Е2 и тромбоксана В2, что в конечном итоге приводит к деструкции ДНК [23].

Особое место в регуляции ЦТК занимает ответная регуляция пируватдегидрогеназного комплекса. Его активность как фермента зависит от доступности пирувата, аллостерического эффекта и ковалентной модификации. Ковалентная модификация пируватдегидрогеназного комплекса осуществляется путем фосфорилирования и дефосфорилирования по остаткам серина при помощи вспомогательных белков протеинкиназы и фосфопротеинфосфатазы. Протеинкиназа фосфорилирует пируватдегидрогеназный комплекс и инактивирует его, а фосфопротеинфосфатаза дефосфорилирует, превращая его в активную форму. Активность вспомогательных белков может изменяться аллостерически (рисунок 28).

Помимо вышесказанного нельзя не упомянуть значение многочисленных сигнальных белков в регуляции МФК (рисунок 29). Примечательна роль комплексов ТОМ (транслоказа внешней мембраны) на внешней мембране и TIM (транслоказа внутренней мембраны) на внутренней в переносе белков из цитоплазмы в митохондрию, т. к. уже было сказано, что некоторые изоформы ферментов ЦТК синтезируются ядерной, а не митохондриальной ДНК, и заведомо должны быть не только транспортированы между двумя органеллами, но и специфически внедрены через мембрану митохондрии. Митохондриальные белки после трансляции переносятся к внешней мембране, где их N-концевая сигнальная последовательность сначала взаимодействует с компонентом ТОМ-комплекса и укрепляется белком TOM-22, который содержит кислые цитозольные домены, взаимодействующие с остатками основных аминокислот в составе N-концевой сигнальной последовательности. После переноса через канал в межмембранном пространстве эта основная часть белка-субстрата за счет сил электростатического притяжения входит в контакт с кислыми доменами белков TOM-22 и TIM-23, но близость друг к другу TOM-22 и TIM-23 обеспечивает прохождение белка-субстрата между этими комплексами, минуя выход в межмембранное пространство.

Непосредственное участие в митохондриальном сигналинге принимает AAA (ATPases associated with various cellular activities — АТФ-синтазы, связанные с различными клеточными активностями) — домен, состоящий из α и β субъединиц мембранно-связанного или FO комплекса АТФ-синтазы, который несет так называемый «Walker motifs» [24] — высоко консервативные трехмерные структуры белка, которые регулируют функциональную деятельность FOF1-АТФ-синтазы. При таргетинге митохондриальные белки находятся в несвернутом состоянии и подготавливаются к транслокации за счет связи с белком HSP70, находящемся в цитозоле. Белки семейства HSP экспрессируются при повышении температуры и помогают транспорту других белков, стабилизируя их в частично свернутом состоянии.

Иными словами, ЦТК и ЦПЭ позволяют митохондрии выполнять ее энергетическую роль — синтез АТФ. Но накопилось много данных, которые говорят об участии митохондрий в регуляции различных сигнальных путей в клетке. К тому же, митохондрии являются одним из основных источников внутриклеточных АФК, и в них содержится большое количество ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции. Субстраты этих ферментов окисляются кислородом и превращаются в супероксидные радикалы — предшественники прочих АФК, которые в свою очередь участвуют в регуляции как путем прямого окисления функциональных биомолекул, так и путем активации сигнальных каскадов, например, антиоксидантных систем клетки [26,27].

Основные пути регуляции экспрессии генов, кодирующих ферменты ЦТК

Экспрессия генов (таблица 2), кодирующих ферменты (рисунок 30), зависит от функционирования следующих регуляторных систем :
глюкозная катаболическая репрессия;
митохондриальные факторы. У клеток с дисфункциями митохондрий экспрессия генов ЦТК зависит от белков семейства Rtg. Белок Rtg 3, содержащий bHLH-домен, образует комплекс с белком Rtg 1 в ядре. Этот комплекс участвует в ретроградном ответе клетки, то есть в изменении экспрессии ядерных генов в ответ на нарушение состояния митохондрий, в частности ЦПЭ [28]. Было показано, что Rtg-путь активирует экспрессию генов ферментов первых трех стадий ЦТК [29].

Таблица 2. Регуляция экспрессии генов цикла трикарбоновых кислот.

КЛИНИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЦТК И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО ФАРМАКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Применение сукцината (янтарной кислоты) и витамина B2 в терапии

Применение фармакологических препаратов с целью активации (поддержания, стимуляции) и дезактивации ЦТК довольно дискуссионно и неоднозначно, т. к. сам процесс реакций ЦТК является консолидированным, а факторов, влияющих на реакционную способность, не всегда зависящих друг от друга, а значит — плохо контролируемых, множество. Есть очень примечательные доводы о том, что потребление кислорода кардиомиоцитами вовсе не изменяется по сравнению с изначальным уровнем при селективной блокаде К + -ATФ-зависимых каналов митохондрий, служащих для индукции адаптации к гипоксии, 5-гидроксидеканоатом [34]. То есть многие типовые патологические процессы на самом деле не такие уж и типовые. Очень важно учитывать контекст конкретных факторов, клеток и реакционных процессов.

Нарушение синтеза АТФ, как правило, связано с дезорганизацией дыхательных МФК на фоне патологического состояния (гипоксии). К МФК 1 относят активацию НАД-зависимого окисления субстратов ЦТК, а к МФК 2 активацию сукцинатоксидазного пути окисления (VI стадия ЦТК) как самого энергоэффективного [35]. Применение препаратов янтарной кислоты является спорной практикой. При этом этилметилгидроксипиридина сукцинат (Мексидол, Мексикор, Нейрокс и т. д.) является одним из самых популярных препаратов на догоспитальном, госпитальном и амбулаторном этапах в России [36] и включен в Перечень жизненно необходимых и важнейших лекарственных препаратов [37], но не одобрен для медицинского применения в США и Европе, а также не входит в систему классификации анатомо-терапевтических и химических веществ (Anatomical Therapeutic Chemical Classification System), утвержденную ВОЗ.

В отечественной медицине препарат получил широкое применение при лечении ишемического инсульта [38,39]. Главным доказательным мотивом выступает принцип Ле Шателье-Брауна, т. е. если в ЦТК извне увеличивать концентрацию его субстрата, то в итоге должна получиться вполне естественная стимуляция реакций, не противоречащая законам химии. Но подтверждается ли это эмпирически? Пока нет. Так, исследователи считают увеличение концентрации сукцината не только универсальным диагностическим критерием ишемии миокарда, но и дополнительным фактором повреждения при постинфарктной реперфузии наряду с АФК (рисунок 31) [40].

Накопление сукцината вследствие мутаций по генам сукцинатдегидрогеназы связывают с ингибированием ряда α-кетоглутарат-зависимых гистон-деметилаз, в частности Jhd1. Предполагается, что сукцинат может играть роль в злокачественной трансформации клеток [41]. В итоге терапия в подобных случаях должна быть направлена на ингибирование накопления или чрезмерного окисления сукцината. На сегодняшний день есть данные о том, что вещество диметилмалонат обладает кардиопротективным свойством на экспериментальных моделях за счет воздействия на процесс окисления сукцината [42]. Правда, такие данные должны подтверждаться надлежащими научными исследованиями с участием людей, т. к. клиническое значение такого подхода пока тоже не выяснено или отсутствует вовсе.

В любом случае нужно понимать, что есть биохимия in silico\in vitro\in vivo, но в противовес есть парадигма доказательной медицины и клиническое значение для практики врача.

Касаемо рибофлавина, во-первых, выше было сказано, что витамин В2 является предшественником кофермента ФАД в организме человека. Поэтому будет закономерно рассматривать влияние рибофлавина с позиции метаболизма ФАД. Во-вторых, окисление пирувата, α-кетоглутарата и сукцината идет под действием дегидрогеназных комплексов, обязательным компонентом которых является ФАД. В третьих, ФАД обладает высоким окислительно-восстановительным потенциалом (больше, чем НАД при значении Е° –0,32 против –0,12 у ФАД). Опираясь на предыдущие доводы касательно нежелательного накопления сукцината, есть вероятность его опосредованной утилизации путем потенцирования окисления до фумарата. Но есть загвоздка: реакция превращения сукцината в фумарат обратима, а сукцинатдегидрогеназный комплекс, как и любой фермент, может ускорить как прямую, так и обратную реакции. В таком случае направление реакции будет диктоваться концентрацией субстрата или продукта, но контролировать и тем более влиять на это в биосистеме человека пока непосильная задача. И может быть не нужная.

Все же ФАД (и НАД) имеют некоторое диагностическое значение, например, как мишени при флуоресценции (хемилюминесценции) слизистых ротовой полости при обследовании онкологических больных [43,44]. Дело в том, что восстановленные формы этих коферментов могут поглощать спектр излучения в 340 нм, а окисленные нет. В итоге есть возможность качественно регистрировать интенсивность окисления, особенно при усилении хемилюминесценции от АФК [45].

Вдобавок необходимо обозначить, что дефицит рибофлавина не так распространен, а последствия его недостатка не настолько опасны, чтобы употреблять его в виде препарата. Ведь фактическую суточную норму жители экономически благополучных стран получают с пищей, и вопрос скорее стоит в сбалансированности питания.
Соответственно трендом и перспективой на сегодня является не использование компонентов ЦТК для моделирования реакций при метаболических патологиях любого генеза или применение их в виде препаратов для лечения, а скорее их прикладное исследование в клинической лабораторной диагностике. Например, жидкостная хроматография с масс-спектрометрией для определения онкометаболита D-2-гидроксиглутарата, о котором будет сказано ниже, или газовая хроматография с масс-спектрометрией для определения концентрации сукцината и фумарата.

Онкология, митохондриальные заболевания и иммунитет

Ферменты ЦТК кодируются конститутивными генами (housekeeping genes). Звучит скучно, если это не такие заболевания, как лейомиома или феохромоцитома, возникающие из-за дефекта в гене, кодирующем сукцинатдегидрогеназный комплекс (SDHB, SDHC, SDHD [46]), а также синдромы Лея, Кернса-Сейра, MELAS, MERRF [47]. Некоторые мутации в гене FUM1, кодирующем фумаразу, приводят к снижению или потере активности фермента и как следствие образованию опухолей кожи, матки, нейробластом и/или рака почек (например, лейомиоматоз и хромофильная карцинома почек второго типа) [48]. Для митохондриальных заболеваний характерна гетероплазмия, т. е. в клетке могут находиться как мутантные мтДНК, так и ДНК дикого типа [49]. Также появились данные, что мтДНК может наследоваться потомками от отца [50].

Давно известно, что пусковым механизмом онкологических процессов является собственное снижение реакционной способности ЦТК при нарушениях в ЦПЭ ввиду деградации ферментов, а также концентрирование онкогенных метаболитов [51]. Например, при мутациях в генах IDH1 и IDH2 изоцитратдегидрогеназы образуется субстрат D-2-гидроксиглутарат [52]. В ответ на накопление данного субстрата экспрессируется белок HIF-1α (Hypoxia-inducible factor 1-alpha — фактор, индуцируемый гипоксией), являющийся онкомаркером, т. к. способствует ангиогенезу за счет взаимодействия с проангиогенным фактором VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor — фактор роста эндотелия сосудов) [53].

Гипоксию не стоит рассматривать только с позиции физического снижения концентрации кислорода ввиду нарушения его поступления в кровь или транспорта в ткани. Гипоксия также может быть сигналом нарушения тканевого дыхания (функции митохондрии), неотъемлемой частью которого является ЦТК, и об этом было сказано в самом начале. Особую ее роль может подтверждать тот факт, что нейтрофилы в условиях недостатка кислорода живут значительно дольше, чем в нормальных. Такая живучесть определяется увеличением количества транскрипционных факторов HIF-1α, которые приводят к экспрессии Mcl-1 (Induced myeloid leukemia cell differentiation protein — индуцированный белок дифференцировки клеток миелоидного лейкоза) — главного антиапоптотического фактора нейтрофилов из семейства Bcl-2 [54,55].

Не исключают и эффект Варбурга, который сопряжен с выключением митохондриальных генов и сопутствует онкологическим процессам [56]. Данный эффект основан на активации интенсивного гликолиза с образованием лактата даже при избытке кислорода, что является облигатным признаком пролиферации опухолевых клеток [57,58]. Также HIF-1α действует как фактор транскрипции, усиливающий синтез гликолитических ферментов, киназы пируватдегидрогеназного комплекса, которая блокирует реакцию окислительного декарбоксилирования пирувата, и тем самым возрастает концентрация пирувата в цитоплазме клетки, что приводит к усилению эффекта Варбурга и метаболизированию пирувата в лактат.

В конечном итоге при накоплении D-2-гидроксиглутарата возрастает риск сопряженного острого миелоидного лейкоза или глиомы [59,60], при сопутствующем нарушении деметилирования ДНК с участием эпигеномного фактора TET2 (Ten-eleven Translation\Tet methylcytosine dioxygenase 2 — тетраметилцитозиндиоксигеназа 2) [61]. Уменьшение количества HIF-1α происходит при действии белка VHL (Von Hippel–Lindau tumor suppressor protein — белок-онкосупрессор), но не в условиях гипоксии (62).

Синдром Лея — генетически детерминированное заболевание с поражением серого вещества головного и спинного мозга, чаще проявляется в раннем детском возрасте [63]. МФК транслируются на митохондриальной ДНК, а мутации при синдроме Лея приводят к дисфункции ЦПЭ (особенно МФК 1, 2 и 4), нарушению синтеза пируватдегидрогеназного комплекса с накоплением в дальнейшем пирувата и лактата в тканях [64,65]. Накапливаемый пируват не поступает в митохондрии, и образующийся в чрезмерных концентрациях лактат оказывает токсичное действие на структуру нейрона.

Синдром Кернса-Сейра или митохондриальная миопатия имеет характерный симптомокомплекс: прогрессирующая наружная офтальмоплегия, пигментная ретинопатия, атриовентрикулярная блокада. Наиболее часто патология выражена со стороны глаз в виде птоза. При этом заболевании также наблюдаются нарушения в работе эндокринной системы. Они включают гипогонадизм, сахарный диабет, гипопаратиреоз, дефицит соматотропина [66]. Синдром проявляется при делеции митохондриальной ДНК [67], что приводит к гетероплазмии [68], и уже распределение мутантных ДНК зависит от локализации процесса в определенной клетке, ткани, органе [69]. Мутации, как правило, приводят к выключению МФК ЦПЭ, что создает уменьшение соотношения [АТФ]/[АДФ], аллостерической деградации реакционной способности ЦТК и накоплению пирувата и лактата [70].

Синдром MELAS (англ. Mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis, and stroke-like episodes — митохондриальная энцефаломиопатия, лактатацидоз, инсультоподобные эпизоды) — нейродегенеративное заболевание, диагностически значимыми жалобами которого являются мигрени, судороги, снижение слуха, непереносимость физических нагрузок и повышение концентрации лактата в крови [71].

MERRF (англ. Myoclonic Epilepsy with Ragged Red Fibers) — заболевание, характеризующиеся миоклонической эпилепсией и феноменом RRF (морфологический маркер в биоптате миофибрилл с рваными красными краями). Патогенез данного синдрома является похожим на вышеизложенные митохондриальные заболевания [72].

Иммунная система и ее вовлеченность при нарушениях синтеза ферментов ЦТК понятна. Очевидно, что клетки, потерявшие функциональность своих митохондрий, заведомо являются чужеродными и провоцирующими иммунный ответ. А что можно сказать о прямом воздействии на ЦТК самих иммунокомпетентных клеток?

Существует мнение, что гамма-интерферон не только активирует макрофаги и NK-клетки для регуляции аутоиммунных процессов, но и потенцирует аэробный гликолиз, перепрофилирует митохондрии, усиливает сигналинг окислительного фосфорилирования в них, но это лишь опосредованное влияние на ЦТК как на реакционный компонент митохондрий [73]. В международной практике иммуностимуляторами называют и сами цитокины, используемые как фармакологические средства, которые одобрило FDA. Это сигнальные молекулы иммунитета, и они взаимодействуют с мембранными рецепторами клеток, но не митохондрий.

Тот же интерферон не взаимодействует напрямую с рецепторами митохондрий. Внутриклеточные АФК, сопровождающие воспаление (хотя определенные концентрации АФК стабильны и не являются токсичными, например, перекись водорода присутствует в клетке в постоянной концентрации в пределах 1 нМ [74]), формируются за счет связи интерферона с цитоплазматическим рецептором врожденного иммунитета NLRX1 и адаптерного белка MAVS на внешней мембране митохондрий. Тем самым MAVS, при наличии митохондриальных АФК, может участвовать в апоптозе зараженных вирусами клеток или нетозе нейтрофилов [75,76,77]. Но нет утверждения, что прием определенного интерферона или его индуктора в виде препарата может достоверно повлиять на энергетический метаболизм пораженных вирусом или иммунокомпетентных клеток, тем самым усиливая их активность. На сегодня не продемонстрирована такая эффективность в рамках двойных слепых плацебо-контролируемых исследований, поэтому использование иммуностимуляторов считается бесполезным. Перспектива исследований скорее затрагивает влияние на сигналинг в ЦПЭ, так как ЦТК является последовательностью реакций небелковых компонентов, находящихся в зависимости от функционирования огромного комплекса белкового сигналинга митохондрий. Однако исследователями показано возрастание L-2-гидроксиглутарата (при все той же мутации в генах изоцитратдегидрогеназы) и его производных в ответ на гипоксию и экспрессию HIF-1α у CD8+ лимфоцитов [78].

Таким образом, метаболиты, выявляющиеся при нарушении работы ЦТК и митохондрий, в целом, могут являться как токсичными (лактат, АФК), так и онкогенными (VEGF, D-2-гидроксиглутарат, HIF-1α). Но нет оснований полагать, что ЦТК можно контролировать и регулировать клинико-фармакологическими методами.

Источник статьи: http://medach.pro/post/2176

Влияние инсулина на цикл трикарбоновых кислот

Углеводный обмен Углеводы входят в состав многих продуктов питания, что позволяет покрывать потребность организма человека в энергии примерно на 60%. Попадая в пищеварительный тракт, сложные углеводы (в основном это полисахариды, например, крахмал) под действием ферментов перевариваются (расщепляются) до простых углеводов (олиго- или моносахаридов) и, всасываясь через слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта, попадают в кровь.

К моносахаридам относится глюкоза, фруктоза, галактоза и другие формы. Однако в организме человека среди абсорбированных моносахаридов преобладает глюкоза, доля которой составляет до 80%. То есть, большинство углеводов, которые поступают в организм с пищей, метаболизируются до глюкозы.

В случае возникновения дефицита глюкозы в организме (при ее ограниченном поступлении, например, при голодании или низкоуглеводной диете), некоторые клетки могут превращать неуглеводные продукты (белки и жиры) в глюкозу. Этот процесс называется глюконеогенез. В нем, как правило, участвуют клетки печени, почек и некоторые клетки кишечника (доля этих клеток в кишечнике составляет примерно 1-3%).

Важная роль глюкозы. Цикл Кребса

Глюкоза выполняет роль источника энергии и участвует в обменном процессе на клеточном уровне (то есть, внутри клеток). Клетки аэробного организма способны создавать энергетический запас путем метаболического окисления глюкозы, когда глюкоза вступает в химическую реакцию с кислородом. В результате этой реакции в клетке образуется вода и углекислый газ (диоксид углерода). То есть, аккумулируема в молекуле глюкозы энергия расходуется с целью образования энергоемкого (макроэргического) соединения – из молекулы АДФ (адезиндифосфата) в молекулу АТФ (адезинтрифосфата). В молекуле АТФ содержится энергия необходимая для большого количества внутриклеточных биохимических реакций (см рис 1).

Рисунок 1. Глюкоза является ключевым элементом в клеточном метаболизме (обмене веществ), обеспечивая энергией большое количество химических реакций, благодаря которым клетка выполняет свои функции

Запас энергии путем создания макроэргических связей молекулы АТФ проходит в клетках при участии глюкозы двумя метаболическими путями (см рис 2):

гликолиз (путь Эмбдена-Мейергофа) с образованием 2-х молекул АТФ и 2-х молекул лактата; в этом случае катаболизм глюкозы проходит без кислорода;
цикл Кребса в совокупности с дыхательным путем дает возможность получить 38 молекул АТФ с конечными метаболитами в виде воды (H2O) и углекислого газа (CO2); катаболизм глюкозы проходит с участием кислорода.

Рисунок 2. Упрощенная схема процесса окисления глюкозы в клетке

Процесс образования энергии начинается с гликолиза, когда глюкоза проходит десять последовательных ферментативных реакций, что приводит к образованию пирувата (пировиноградной кислоты). Дальнейшая реакция пировиноградной кислоты зависит непосредственно от доступности кислорода в клетке. При условии нормального уровня содержания кислорода, в митохондриях клетки пировиноградная кислота превращается в ацетил-кофермент А (ацетиломКоА), который вступает в цикл Кребса и конденсируется с оксалоацетатом (щавеливоуксусной кислотой), в результате чего образуется лимонная кислота. Последующие девять ферментативных реакций сопровождаются превращением молекулы лимонной кислоты обратно в молекулу щавеливоуксусной кислоты, которая способна опять конденсироваться с ацетил-коферментом А, поставляемого в процессе катаболического преобразования глюкозы.

При участии в катаболизме одной молекулы глюкозы при наличии кислорода образуется 8 молекул АТФ и 2 молекулы пировиноградной кислоты. Дальнейшее преобразование двух молекул пировиноградной кислоты в пируватдегидрогеназном комплексе и цикле Кребса, а потом при работе дыхательной цепи образуется еще 30 молекул АТФ. В результате, при окислении одной молекулы глюкозы с образованием воды и углекислого газа, образуется 38 молекул АТФ с макроэргическими связями.

В случае дефицита кислорода процесс окисления глюкозы происходит путем гликолиза. При этом в митохондрии, содержащих ферменты цикла Кребса и пируватдегидрогеназного комплекса, не поступает пировиноградная кислота. В цитоплазме пируват (пировиноградная кислота) преобразуется в лактат (молочную кислоты).

Отметим, что лактоацидоз – накопление в крови большого количества молочной кислоты – сопровождает многие заболевания, вызванные нарушением кровоснабжения тканей (что, собственно, приводит к гипоксии тканей). Лактоацидоз является прямым следствием гликолиза в тканях с недостаточным обеспечением кислорода (окигенацией), то есть анаэробного гликолиза.

Значение нормального уровня глюкозы в крови

Нервные клетки, в том числе и клетки головного мозга, не способны создавать и накапливать глюкозу, в отличие от других клеток человеческого организма. Поэтому обеспечение энергетических потребностей нервной системы полностью зависит от поступления глюкозы из крови. Для обеспечения полноценного функционирования нервных клеток минимальный уровень глюкозы в крови должен быть примерно 4,0 ммоль/л. Также уровень глюкозы в крови не должен быть очень высоким.

Глюкоза является осмотически-активным веществом, то есть при увеличении ее уровня концентрации в крови, в соответствии с законами осмотического давления, жидкость из тканей поступает в кровь. В результате обезвоживания тканей наступает относительная дегидратация – потенциально опасный для здоровья человека эффект. Если уровень глюкозы в крови превышает определенное значения (10,0-11,0 ммоль/л), наступает почечный порог – состояние, при котором почки начинают выводить из организма глюкозу с мочой, чтобы компенсировать эффект дегидратации. В этом случае организм теряет свой важный источник энергии – глюкозу.

То есть, в нормальном состоянии уровень глюкозы в крови не должен превышать пороговое значение, в противном случае организм начнет терять один из основных источников энергии, при этом концентрация сахара не должна сильно снижаться, чтобы сохранить полноценное обеспечение энергией нервной системы.

Депонирование глюкозы

В организме человека глюкоза может накапливаться. Несмотря на то, что в глюкозе, как источнике энергии, нуждаются все клетки организма, разница в ее потребности у разных клеток довольно существенная. Кроме этого, в зависимости от времени суток, потребность в глюкозе клеток одного типа также меняется. Например, потребность миоцитов (клеток мускулатуры) достигает своего максимума при выполнении физической нагрузки и минимума – во время отдыха и сна.

Потребность клеток в глюкозе не всегда совпадает по времени с приемом пищи. Поэтому организм делает депонирует (запасает) глюкозу, которая поступает в организм с пищей, чтобы в дальнейшем, по мере необходимости клеток в энергии, использовать ее. В организме человека есть много видов клеток, способных накапливать глюкозу в ограниченных количествах, основными из которых являются:

  • Гепатоциты – клетки печени
  • Миоциты – мышечные клетки
  • Адипоциты – жировые клетки

Когда потребность организма в глюкозе низкая, а уровень в крови высокий (например, после приема пищи), эти клетки ее отбирают из крови и сохраняют. И наоборот, когда повышается потребность организма в глюкозе, а ее уровень в крови низкий (например, между приемами пищи, во время интенсивной физической нагрузки и т.д.), клетки высвобождают накопленную глюкозу, тем самым компенсируя дефицит.

Мышечные клетки и гепатоциты накапливают глюкозу в виде гликогена, который является высокомолекулярным полимером глюкозы. Гликоген синтезируется из глюкозы путем ферментативного процесса – гликогенеза. Обратный процесс, при котором глюкоза покидает депо, называется гликогенолиз. Процесс гликогенолиза начинается в ответ на снижение уровня глюкозы в крови. Также глюкоза может накапливаться в адипоцитах (жировых клетках) путем липогенеза. При липогенезе глюкоза преобразуется в глицерин, который входит в состав триглицеридов – запасную форму жиров. Чтобы обеспечить клетки энергией, в процессе липолиза триглицериды мобилизуются, покрывая недостаток потребностей организма. Отметим, что процесс липолиза начинается только в том случае, когда в организме исчерпаны запасы гликогена. То есть, жиры обеспечивают долгосрочное депонирование глюкозы, а гликоген – краткосрочное.

Способы поддержания нормального уровня глюкозы в крови

Несмотря на то, что на протяжение дня поступление глюкозы в организм и ее расход могут значительно колебаться, концентрация сахара в крови не опускается ниже 3,4 ммоль/л и не увеличивается выше 8,0 ммоль/л. Типичные суточные колебания уровня сахара крови продемонстрированы на рисунке 3.

Рисунок 3. Изменение уровня глюкозы в крови у здорового человека в течение суток

После приема пищи уровень сахара в крови повышается. Попадая в организм с продуктами питания, сахар проникает через стенки кишечника в кровь, откуда поступает в клетки для обеспечения энергетических потребностей. Мышечные клетки и гепатоциты депонируют неиспользованную глюкозу в виде гликогена. В промежутке между приемами пищи уровень сахара в крови снижается, поэтому, для подержания необходимого уровня в крови, глюкоза мобилизуется из депо. При необходимости организм может получать глюкозу путем глюконеогенеза из неуглеводных источников, например, белков.

Все метаболические преобразования глюкозы (гликогенолиз, гликогенез, липолиз и т.д.), а также процесс депонирования в клетках, регулируется эндокринной системой – контролируется гормонами, выделение (секреция) которых зависит от уровня глюкозы в крови.

Роль эндокринной системы в углеводном обмене

Самую важную роль в регуляции уровня сахара в крови играют инсулин и глюкагон – гормоны поджелудочной железы.

Инсулин обеспечивает метаболические процессы, благодаря которым уровень глюкозы в крови снижается за счет следующих механизмов:

— с помощью инсулина происходит захват клетками организма глюкозы из крови; при этом от инсулина не зависит захват глюкозы нервными клетками и гепатоцитами;

— инсулин стимулирует гликолиз – процесс внутриклеточного обмена, при котором глюкоза метаболизируется до пировиноградная кислота;

— активирует гликогенез – процесс преобразования миоцитами и гепатоцитами глюкозы в гликоген;

— стимуляция липогенеза – процесс преобразования жировыми клетками глюкозы в триглицериды;

— торможение (ингибирование) глюконеогенеза – процесса синтеза (образования) глюкозы из неуглеводных продуктов (например, протеинов).

В ответ на повышение уровня глюкозы в крови, β-клетки поджелудочной железы продуцируют инсулин. Действие инсулина происходит посредством связей с инсулиновыми рецепторами, находящихся на поверхности инсулиночувствительных клеток. То есть, при повышении концентрации сахара в крови, нормальный гормональный ответ зависит от следующих факторов:

— полноценной функции β-клеток поджелудочной железы, что позволяет продуцировать необходимое количество инсулина;

— функциональной активности и количества инсулиновых рецепторов инсулиночувствительных клеток.

В случае нарушения хотя-бы любого (или обоих) из этих условий, уровень сахара в крови будет высоким.

Глюкагон – гормон, который продуцируется α-клетками поджелудочной железы в ответ на снижение уровня сахара в крови. Является антагонистом инсулина. То есть, эффектом действия глюкагоны является повышение уровня глюкозы в крови, в отличие от эффекта действия инсулина. В случае снижения концентрации сахара в крови, действие глюкагона зависит от следующих факторов:

— повышение интенсивности гликогенолиза – процесса распада гликогена в гепатоцитах;

— увеличение глюконеогенеза – процесса внутриклеточного синтеза глюкозы из неуглеводных продуктов.

На рисунке 3 видно, что уровень сахара в крови повышается после приема пищи в результате усвоения организмом углеводов из потребленных продуктов. В результате, повышение концентрации сахара крови вызывает стимуляцию секреции инсулина β-клетками. Попадая в кровь, инсулин вступает в разные процессы, способствующие снижению концентрации глюкозы в крови. Таким образом начинается индукция секреции глюкагона, что помогает снизить уровень глюкозы. Благодаря непрерывной синергии этих противоположных механизмов, в крови поддерживается оптимальный уровень сахара.

При низком уровне сахара в крови, или при стрессе, в организме сильно повышается секреция трех гормонов:

— соматотропин – гормон роста, синтезируется в передней доле гипофиза;

— адреналин (эпинефрин) – гормон-нейромедиатор, вырабатывается мозговым веществом надпочечников;

— кортизол – глюкокортикоидный гормон, синтезируется в коре надпочечников.

Эти три гормона также способствуют повышению уровня сахара в крови.

То есть, предотвратить чрезмерное понижения уровня глюкозы в крови (гипогликемию), способны четыре гормона: глюкагон, соматотропин, адреналин и кортизол – они способствуют увеличению ее концентрации. А чрезмерное повышение уровня глюкозы в крови способен предотвратить только один гормон – инсулин.

Учитывая вышеизложенные факты, становится очевидной значимость поддержания минимальной концентрации сахара в крови с целью обеспечения нормального функционирования центральной нервной системы. Ниже приведена таблица, в которой кратко резюмирована роль основных гормонов, которые принимают непосредственное участие в регуляции углеводного обмена в организме человека.

Место синтеза и высвобождения

Возбудитель

Основной эффект (уровень глюкозы в крови)

β-клетки поджелудочной железы

Высокий уровень сахара в крови

α-клетки поджелудочной железы

Низкий уровень сахара в крови

Соматотропин (гормон роста)

Низкий уровень глюкозы в крови и/или стресс

Низкий уровень глюкозы в крови и/или стресс

Источник статьи: http://medqueen.com/medicina/fiziologiya/fiziologiya-statya/1946-fiziologiya-uglevodnogo-obmena.html

bezinsulina