Біоенергетика серця 2

ЗАГАЛЬНООСВІТНЯ ЛЕКЦІЯ
НА ТЕМУ: «БІОЕНЕРГЕТИКА СЕРЦЯ»

РАПОВЕЦ В.А., лікар-кардіолог

ЗМІСТ

Загальні положення

Вступ

Аеробне окислення глюкози і РК
Мітохондрії
Транспорт Е Висновок

Загальні положення

Сучасна кардіологія немислима без вивчення процесів на молекулярному і субмолекулярному рівнях. Тільки завдяки сучасним тонким методам дослідження стали можливі відкриття в області такої науки, як біоенергетика серця.
Одна з функцій, притаманних всьому живому, - здатність до енергозабезпечення за рахунок від
тих чи інших зовнішніх енергетичних ресурсів. Це і вивчає біоенергетика. Саме слово увійшло
в побут з легкої руки О. Сцепт - Дьєрдь, прославився свого часу виділенням першого вітаміну - аскорбінової кислоти. Так називалася невелика книжка, опублікована А. Сцепт -
Дьордь в 1956 р. У цій праці було безліч захоплюючих думок і гіпотез, але випробування
часом витримало лише слово, винесене автором на обкладинку.
Спочатку в деяких біологічних центрах з'явилися лабораторії, відділи біоенергетики (відділ МГУ був створений у 1965 р.). Потім з кінця 60-х років стали видавати журнали та збірники, пішли симпозіуми, конференції, курси під цією назвою. І ось сьогодні біоенергетика
- Одне з популярних наукових напрямів зі своїм колом ідей, об'єктів і методів, своїми
лідерами і змагаються школами; словом, - інтернаціональний організм, що живе і розвивається за власними законами.
Слідом за відомими успіхами цієї гілки біології прийшла мода і з'явилася тенденція
писати слово «біоенергетика» у всіх випадках, де йдеться про енергетичну аспекті живих
істот, незважаючи на ступінь їх складності. У цьому сенсі першою біоенергетиком потрібно визнати Платона, розмірковує про долю їжі в організмі. Що ж до сучасних дослідників, які намагаються здобути точні відомості про біологічні перетворювачах Е, то їх правильніше
називати «молекулярними біоенергетика».
Зараз безпосередньо про біоенергетику серця.

Вступ

Енергетичний метаболізм клітин серця включає в себе 3 розділу:
1-й розділ: процеси аеробного окислення глюкози і ЖК, які призводять до утворення АТФ у мітохондріях;
2-й розділ: процес внутрішньоклітинного транспорту Е;
3-й розділ: реакції використання Е:
а) для скорочення міофібрил;
б) перенесення іонів проти градієнта їх концентрації через клітинні мембрани;
Примітка. Ці два процеси взаємозалежні і їх розглянемо разом




Зараз перейдемо до першого великого розділу: утворенню енергії.
1-й розділ: процеси аеробного окислення глюкози і РК
            Джерелом біологічної Е для організму служить їжа, в якій ця Е укладена в
хімічних зв'язках складних з'єднань, головним чином - у зв'язках С-С і С-Н.
Біохімічні процеси, що виробляють Е, можна поділити на 2 групи:
1-а група: процеси, що йдуть з поглинанням О 2 повітря;
2-я група: без доступу кисню.
            Біологічний синтез будь-якої хімічної зв'язку вимагає в 3 рази більше Е, чим може утворитися при простому розщепленні подібного зв'язку. Тому організм вдається до обхідного шляху, чим досягає більший ККД.
Аеробний шлях був відкритий у 30-х роках Енгельгардтом і названий окислювальним фосфорилюванням, тому що на проміжних етапах окислення вивільнювана Е фіксується в
пірофосфатних зв'язках молекул АТФ та інших з'єднань. Ці зв'язки Енгельгардт назвав макроергічними - тобто, високоенергетичними. АТФ і її аналоги грають роль універсального акумулятора Е в організмі. У цьому з'єднанні Е концентрується в зручній формі, придатній для
утилізації. Процеси, що йдуть з виділенням Е, пов'язані із синтезом АТФ. Процеси з поглинанням Е пов'язані з розщепленням АТФ. Таким чином, АТФ виступає сполучною ланкою
між ними. Завдяки АТФ, 2 процесу розчленовуються в часі. Це надає Е-обміну велику гнучкість. Е - законсервована і може витрачатися в будь-який час і на будь-які потреби.
АТФ не тільки посередник, а й депо Е. Під час роботи кількість АТФ зменшується,
йдуть реакції гликолитического фосфорилювання: збільшуються АДФ, АМФ, фосфат неорганічний. Після навантаження рівень АТФ відновлюється.
Роль запасу Е і донора фосфатів для АТФ відіграє також інших макроергів - КФ. КФ не поставляє Е для клітини, а обмінює свій фосфат з АТФ. Реакція протікає за рівнянням:
Креатин + АТФ КФК КФ + АДФ
         При енергоутворення реакція йде вправо, йде запас КФ. При споживанні Е - вліво - збільшення АТФ. Всі субклітинні структури серця, які споживають Е (міофібрили,
мембрани), - містять КФК (ММ - ізофермент), пов'язану з АТФ-азнимі реакції.
Аеробний шлях енергетично більш вигідний. Перші його етапи співпадають з гликолизом
- До стадії утворення ПВК. Але в присутності О 2 ПВК не перетворюється в МК, а вступає в цикл
трикарбонових кислот Кребса. У циклі Кребса при окисленні пірувату утворюється 1 макроергічних зв'язків, що зберігається в молекулі ГТФ, який передає її на АТФ. Таке фосфорилювання
називається субстратною.
Вся інша Е, що міститься в субстратах циклу Кребса передається без втрат на ферменти НАД і НАДФ, і фіксується в їх ефірних зв'язках.
Подальше окислення цих коферментів через флавінових ферменти і цітрохромную систему називається термінальним. Це самий вигідний ділянку дихального ланцюга, так як
тут йде найбільше реакцій окисного фосфорилювання. Тут утворюється 3 молекулярних АТФ. Таким чином, Е субстратів циклу Кребса переходить в Е АТФ.
Майже всі інші субстрати мають невуглеводних природу: - амінокислоти, РК,-піддаючись ферментативним перетворенням, утворюють або метаболіти циклу Кребса, або А -
Ко - А (активована форма оцтової кислоти).
У підсумку - перетворення Е йде або з окисленням ПВК або АКоА. 1 молекула ПВК дає 15
макроергічних зв'язків.
Зараз розглянемо, як працюють мітохондрії.
Мітохондрії
Функцію вироблення і збереження Е в клітці несуть мітохондрії. Грін назвав мітохондрії біохімічними машинами, які трансформують і консервують Е. Вони становлять 25
- 30% всієї маси міокарда. Форма їх залежить від виду клітин. Мітохондрії серця мають циліндричну форму, розташовані між миофибриллами і в безпосередній близькості до них,
так як тісний контакт полегшує обмін АТФ.
Це тверді тільця, оточені гідрофільним золем і укладені в оболонку з виборчою проникністю. Мембрани - дві. Зовнішня - гладка. Внутрішня утворює випини. Палад назвав їх кристами. Від зовнішньої мембрани всередину, до центру відходять гребені. Вони поділяють мітохондрії на камери, заповнені матриксом. У мітохондріях клітин міокарда, де
інтенсивно йде Е-обмін, число крист - найбільше. Кількість матриксу відображає побічні
функції мітохондрій. У міокарді його мало. Зовнішня мембрана і гребені складаються з ЛП та ФО.
Кіндей і Шнейдер в 1948 р. знайшли в мітохондріях повний набір ферментів для циклу
Кребса. Грін, Ріхтер в 50-х роках виявили ферменти для окислення Б, Ж, У до субстратів
циклу Кребса. Нарешті, Чейнс, Вільямс показали, що ферменти термінального окислення (цитохроми, НАД) знаходяться тільки в мітохондріях. Ферменти знаходяться в строгому порядку, одні - розчинені, інші - міцно пов'язані зі структурним білком.
Побічна функція мітохондрій - синтез своїх структурних білків і деяких ферментів. Ц., дегідрогенази надходять від рибосом, ззовні.
Мітохондрії в роботі клітини - найслабша ланка. Вони дуже чутливі на будь-
вплив, особливо, на кисневу недостатність. Первинною реакцією є гальмування окисного фосфорилювання, зване м'яким роз'єднанням. Це включення вільного окислення.
У 60-х роках Мітчел створив хеміоосмотіческую теорію, за якою окисне фосфорилювання є перенесення е *, р *, Н * у поза через мембрану, здатну створювати й утримувати
таким чином мембранний потенціал. Цей потенціал і регулює розподіл іонів, у тому
числі, і можливість зворотного входу Н * для синтезу АТФ. Сильні порушення руху іонів
викликає зміна РН. При вільному ж окисленні потенціалу немає, і весь потік Е йде по короткому шляху, в обхід фосфорилируют реакцій, без синтезу АТФ. Е * швидко переноситься з відновника на окислювач.
Скулачов в 1962 р. показав, що вільне окислення - вимушений захід, енергетично
вона не вигідна.
При захворюваннях серця мітохондрії страждають сильніше. Переключення реакцій на вільне окислення зменшує Е - постачання. У далеко зайшли, пригнічується і вільне
окислення. Візуально спостерігається набухання мітохондрій, що призводить до порушення високої
організації внутрішньої структури. Порушується розташування ферментів і проникність мембрани. Виникає порочне коло, тому що для відновлення структури необхідний приплив Е.
АТФ виходить з мітохондрій і не може бути використана миофибриллами. Настає необоротне руйнування мембрани і гребенів. При гіпертрофії серця мітохондрії спочатку набухають,
потім зменшуються в розмірах. Крісти зникають. З'являються жирові включення.
Функція мітохондрій залежить від РН клітини. У кислому середовищі, коли РН нижче 6,6, - фосфорилювання гальмується, мембрани набухають. Це оборотно. У більш кислому середовищі мітохондрії
зморщуються. У лужному середовищі мітохондрії набухають.
При дії КА мітохондрії скорочують свої розміри, і буквально, забиті кристами. Таким чином, будь-патологічний стан веде до порушення обміну речовин (гіпоксія, ацидоз, алкалоз, гіперметаболізм) - веде до оборотного, або до незворотного пошкодження мітохондрій.
Головними джерелами Е для міокарда є: глюкоза, лактати і вільні ЖК. У
незначною мірою беруть участь кетотела (<10%).
Як же змінюється Е-обмін при різних екстремальних умовах? Нормально функціонуюча серце використовує для енергетичних цілей різні субстрати, у виборі яких
серце дуже лабільно.
В умовах спокою найважливішим джерелом Е є глюкоза крові, (до 30%). Утилізація
глюкози міокардом, в основному, визначається не її концентрацією, а змістом інсуліну.
При м'язовій роботі споживання глюкози зменшується - до 10%. Організм економить глюкозу
для мозку і інших органів. А при підвищенні концентрації глюкози в крові утилізація її міокардом зростає. Окислення жиру при цьому знижується.
20-30% Е забезпечують лактати. Міокард вільно утилізує з крові МК і ПВК. При
м'язовій роботі лактати все більше окислюються в міокарді, і дають 70% всієї Е. Лише за
пульсі 190-200 ударів на хвилину в серце починає переважати анаеробний метаболізм, з виділенням МК.
Серце окисляє також СЖК, які при голодуванні і натщесерце стають основним джерелом. Е.
Останнім часом підкреслюється роль в обміні міокарда ТГ і РК. У спокої частка СЖК - 40%, ТГ - 15%. Під час роботи частка жирів зменшується в 2 рази.
Таку лабільність слід розглядати як прояв адаптації міокарда до різних умов функціонування.
Транспорт Е
У серцевих клітинах Е переноситься від мітохондрій КФ до всіх місць використання:
міофібрили і клітинних мембран, субклітинних мембран. КФ-шляху внутрішньоклітинного
транспорту Е в серцевих клітинах наведені на схемі.
Схема КФ-шляху внутриклеточноготранспорта Е в серцевих клітинах
 
1-2 Головним макроергів, які виходять із мітохондрій, є КФ. У мітохондріях працює замкнутий цикл перетворення АТФ і АДФ, пов'язаний через КФК - мітохондрій.
 
3А Сила скорочення міофібрили і тривалість ПД корелює не з концентрацією
АТФ, а з КФ, який, у свою чергу, від креатиніну. Таким чином, на силу скорочення впливає
не тільки потік Са ^{+ +,} але і концентрація КФ. КФ через КФК міофібрили рефосфорилюється
АДФ для акту скорочення.
 
3В Локалізація КФК на мембрані клітинного ядра дозволяє вважати, що Е - КФ використовується в біосинтетичних процесах ядра.
Забезпечуючи ефективний транспорт Е, КФК - реакції виконують також регуляторну
функцію, беручи участь в системі зворотного зв'язку між процесами утворення і використання Е.
Точне з'ясування природи зворотного зв'язку вимагає подальшого вивчення.
3-й розділ: Реакції використання Е
Для того, щоб зрозуміти, як відбувається скорочення м'язи серця, необхідно знати
будова кардіального миоцита.
 
Клітка на поперечному зрізі містить: ядро, міофібрили, мітохондрії, Т-система, СПР.
  Основну масу клітини займають міофібрили. Їх кількість сягає
400-700 тисяч. Міофібрили представляють довгі нитки, які переходять з саркомера в
саркомер. Вони складаються з 2 типів ниток. Товсті, нитки міозину, знаходяться по середині соркомера. Вісь міозину утворює легка субодиниця - L-мероміозін. H-мероміозін - головна, важка
субодиниця, забезпечена головками, на відстані 400 А °, які утворюють містки з актином.
Нитки актину - тонкі, розташовані між товстими, в області Z - лінії кожна сполучена з 3-4 - ма сусіднього саркомера.
F-актин за рахунок Е - АТФ може переходити в G - А, глобулярний А. До актину прикріплений
тропомиозин, який не фіксований і може переміщатися. Він блокує головні центри актину. Тропомиозин несе на собі тропонин.
Тропонін має 3 субодиниці:
- TN - C - зв'язує Са ^{+ +;}
- TN - I - інгібітор актину;
- TN - T - прив'язує тропонин до тропомиозин.
Таким чином, тропоніна - тропомиозин - у комплексі блокує актин.
Зараз про роль Са ^{+ +} в скороченні. Головне депо Са ^{+ +} - це T - система, СПР і мітохондрії. T-система утворюється випинаннями сарколеми в області Z - лінії всередину клітини.
СПР складається з мережі поздовжніх трубочок і латеральних цистерн, де і концентрується
Са ^{+ +} для чергового залпу. У цистернах міститься мукополісахаридом, який швидко пов'язує
Са ^{+ +.} Таким чином, вільний Са ^{+ +,} потрапивши в подовжню мережу, рухається до цистерн, де його
концентрація менше, а пов'язаного - більше, це - транслокація Са ^{+ +.} Запас Са ^{+ +} створюється
тільки на 1 залп. Цистерни близько прилягають до T - системі.
Під час плато ПД збільшується проникність мембрани для Са ^{+ +,} і він входить у клітину через C а - канали.
Це повільний Са ^{+ +} струм. Далі частина Са використовується в міофібрили для скорочення,
рівного 40% всього Са. Друга частина надходить у СПР, про запас. Коли деполяризація
досягає T - системи, спрацьовує Na - тригер, і СПР викидає весь запас Са з цистерн.
Це 60% всього Са. У соркоплазме концентрація Са збільшується в 100 разів, з 10 ^-8 до 10 ^-5 М.
Для розслаблення необхідно зменшити його концентрацію в міофібрили.
1-й механізм:
Обмін Na - C а. C а видаляється з клітки проти концентраційного градієнта за рахунок Е
руху Na всередину клітини, по концентраційному градієнту. Це Na - C а - насос.
2-й механізм:
Кальцієвий насос поздовжніх трубочок СПР швидко поглинає Са ^{+ +} з міоплазми. Сам
C а активує своє поглинання, стимулюючи АТФ - азу мембрани СПР. АТФ дає Е для транспорту Са ^{+ +}   проти градієнта концентрації.
Ці процеси починаються ще під час систоли і перешкоджають сильному напрузі.
Час транслокації Са ^{+ +}   в цистерни і визначає відновлення серцевого м'яза. Завдяки
йому не відбувається титанічних скорочень.
Концентрація Са ^{+ +}   поблизу міофібрил зменшується, C а залишає тропоніна - стежка -
міозіновие комплекси, так як СПР поглинає його в 3 рази більш активніше, наступає розслаблення.
Таким чином, під час ПД повільний ток C а в клітку зумовлює і скорочення, і
включення механізму розслаблення.
Швидкий струм Na в клітку викликає вихід Са ^{+ +}   з СПР - тригер і дає Е для видалення
C а з клітки.
Третій насос - K- Na, за рахунок Е АТФ, видаляє Na, і повертає K. Настає реполяризації
мембрани, і клітина переходить в початковий стан.
Таким чином, необхідно говорити про єдиний механізм сполучення порушення зі скороченням і розслабленням.
 
Власне м'язове скорочення відбувається наступним чином. Коли Са ^{+ +}   приєднується до тропоніну - С (TNC), в ньому відбуваються конформаційні зміни, в результаті чого тропоніна - тропомиозин - комплекс зсувається і оголює центри актину. Головки H-мероміозіна утворюють містки з ниткою актину. Використовуються Е - АТФ, іони Са ^{+ +,} Mg ^{+ +.}
Властивості ферменту - АТФ - ази виявляє сам H-мероміозін.
Містки утворюються і знову руйнуються. Таким чином, нитки актину ковзають між міозином до центру соркомера, кожного разу на 1 крок - 400 А °.
М'яз коротшає, відбувається систолічний скорочення. У результаті хімічна Е
зв'язків АТФ переходить в механічну роботу.
 
Тропонін - тропомиозин - комплекс (з TN-I) блокує актин.
Іони Са ^{+ +} проходять через пори мембрани, і з СПР, C а взаємодіє з TN - C, тропоніна -
тропомиозин повертаються, актин взаємодіє з міозином.
C а йде з клітки або в СПР.
Висновок
Таким чином, узгоджене в часі протікання всіх 3-х реакцій - освіти,
транспорту та використання Е - забезпечується ефективними механізмами їх взаємної регуляції. Головний фактор, що впливає на Е - метаболізм - сам акт скорочення, регульований потоком Са ^{+ +} під час плато ПД. Особливість серця полягає в тому, що значне збільшення
роботи та споживання О 2 мало змінюють концентрацію макроергів у клітині (АТФ і КФ). У серці великий метаболічний оборот цих сполук, ефективний зворотний зв'язок:
Синтез Е                 Витрата Е
Ми розглянули головні шляхи обміну Е в міокарді. Поки ще не все ясно. Багато питань ще требу ют вивчення.