Биоэнергетика сердца


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 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, появилась тенденция писать слово «биоэнергетика» во всех случаях, где идет речь об энергетических аспектах 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 энергии, то их правильнее называть «молекулярными биоэнергетиками».

Теперь непосредственно о биоэнергетике сердца.

Энергетический метаболизм клеток сердца включает в себя 3 этапа.
1-й этап: процессы аэробного окисления глюкозы и жирных кислот, которые приводят к образованию АТФ в митохондриях (образованию энергии).
2-й этап: процесс внутриклеточного транспорта энергии.
3-й этап: реакции использования энергии:
а) для сокращения миофибрилл;
б) для переноса ионов против градиента их концентрации через клеточные мембраны.

Эти два процесса взаимосвязаны, поэтому рассмотрим их вместе.

1–й этап: процессы аэробного окисления глюкозы и жирных кислот.

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

Биохимические процессы, производящие энергию, можно подразделить на 2 группы:
1-я группа - процессы, идущие с поглощением О2 воздуха;
2-я группа - процессы, идущие без доступа О2.

Биологический синтез любой химической связи требует в 3 раза больше энергии, чем может образоваться при простом расщеплении подобной связи. Поэтому организм прибегает к обходному пути, чем достигается больший коэффициент полезного действия.

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

АТФ не только посредник, но и депо энергии. Во время работы количество АТФ уменьшается, идут реакции гликолитического фосфорилирования: увеличивается количество АДФ, АМФ, неорганических фосфатов. После нагрузки уровень АТФ восстанавливается.

Роль запаса энергии и донора фосфатов для АТФ играет также другой макроэрг – креатинфосфат. Креатинфосфат не поставляет энергию для клетки, а обменивает свой фосфат с АТФ. Реакция протекает по уравнению (катализируется ферментом креатинфосфокиназой): Креатин + АТФ <----> Креатинфосфат + АДФ.

При энергообразовании реакция идет вправо (идет запасание креатинфосфата). При потреблении энергии – влево (происходит увеличение АТФ).

Все субклеточные структуры сердца, которые потребляют энергию (миофибриллы, мембраны), - содержат креатинфосфокиназу (ММ - изофермент), сопряженную с АТФ-азными реакциями.

Аэробный путь энергетически более выгодный. Первые его этапы (до стадии образования пировиноградной кислоты) совпадают с гликолизом, но в присутствии О2 пировиноградная кислота не превращается в молочную, а вступает в цикл трикарбоновых кислот Кребса. В цикле Кребса при окислении пирувата образуется одна макроэргическая связь, сохраняемая в молекуле гуанозинтрифосфата, который передает ее на АТФ. Такое фосфорилирование называется субстратным. Вся остальная энергия, содержащаяся в субстратах цикла Кребс, 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 три молекулы АТФ. Таким образом, энергия субстратов цикла Кребса переходит в энергию АТФ.

Почти все остальные субстраты (аминокислоты, жирные кислоты) имеют неуглеводную природу, подвергаясь ферментативным превращениям, образуют либо метаболиты цикла Кребса, или А–Ко–А (активированную форму уксусной кислоты).

В итоге превращение энергии идет с окислением пировиноградной кислоты или А-Ко-А. Одна молекула пировиноградной кислоты дает 15 макроэргических связей.

Рассмотрим, как работают митохондрии. Они несут функцию выработки и сохранения энергии в клетке. Грин назвал митохондрии биохимическими машинами, которые трансформируют и консервируют энергию. 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 заключенные в оболочку с избирательной проницаемостью. Имеют две мембраны. Внешняя – гладкая, внутренняя образует выпячивания. Палад назвал эти выпячивания кристами. От наружной мембраны внутрь к центру отходят гребни. Они разделяют митохондрии на камеры, заполненные матриксом. В митохондриях клеток миокарда, где интенсивно идет энергетический обмен, число крист наибольшее. Количество матрикса отражает дополнительные функции митохондрий. В миокарде его мало. Наружная мембрана и гребни состоят из липопротеидов и фосфолипидов.

Киндэй и Шнейдер в 1948 г. нашли в митохондриях полный набор ферментов для цикла Кребса. Грин и Рихтерих в 50-х годах обнаружили ферменты для окисления белков, жиров и углеводов до субстратов цикла Кребса. Наконец, Чейнс и 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.

Дополнительные функции митохондрий – синтез своих структурных белков и некоторых ферментов. Цитохромы, дегидрогеназы поступают от рибосом, извне.

Митохондрии в работе клетки – самое слабое звено. Они очень чувствительны к любому воздействию, особенно, к недостатку кислорода. Первичной реакцией является торможение окислительного фосфорилирования, называемое мягким разобщением. Это включение свободного окисления.

В 60-х годах Митчел создал теорию, по которой окислительное фосфорилирование - это 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. Изменение рН сильно нарушает движение ионов. При свободном же окислении потенциала нет, и весь поток энергии 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 энергетической 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 энергии. 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. Таким образом, любое патологическое состояние, ведущее к нарушению обмена веществ (гипоксия, ацидоз, алкалоз, гиперметаболизм), ведет к обратимому, либо к необратимому повреждению митохондрий.

Главными источниками энергии для миокарда являются глюкоза, лактаты и свободные жирные кислоты, в меньшей степени кетотела (< 10%).

Как же меняется энергетический 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 энергии 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% энергии обеспечивают лактаты. Миокард свободно утилизирует из крови молочную и пировиноградную кислоты. При мышечной работе лактаты все больше окисляются в миокарде и дают до 70% всей энергии. Лишь при пульсе 190-200 ударов в минуту в сердце начинает преобладать анаэробный метаболизм с выделением молочной кислоты. Сердце окисляет также свободные жирные кислоты, которые при голодании и натощак становятся основным источником энергии.

В последнее время подчеркивается роль в обмене миокарда триглицеридов и свободных жирных кислот. В покое доля свободных жирных кислот составляет 40%, триглицеридов – 15%. Во время работы доля жиров уменьшается в 2 раза. Такую лабильность следует рассматривать как проявление адаптации миокарда к различным условиям функционирования.

2–й этап: процесс внутриклеточного транспорта энергии

В клетках сердца энергия переносится от митохондрий ко всем местам использования - миофибриллам, клеточным и субклеточным мембранам. Путь переноса энергии носит название креатинфосфокиназного пути.

Главным макроэргом, выходящим из митохондрий, является креатинфосфат. В митохондриях работает замкнутый цикл превращения АТФ и АДФ, связанный через креатинфосфокиназу митохондрий. Сила сокращения миофибриллы и длительность потенциала действия коррелирует с концентрацией не АТФ, а креатинфосфата, который, в свою очередь, зависит от концентрации креатинина. Таким образом, на силу сокращения влияет не только поток ионов Са++, но и концентрация креатинфосфата. Креатинфосфат через креатинфосфокиназу миофибриллы рефосфорилирует АДФ для акта сокращения. Локализация креатинфосфокиназы на мембране клеточного ядра позволяет считать, что энергия креатинфосфата используется в биосинтетических процессах ядра. Обеспечивая эффективный транспорт энергии, креатинфосфокиназные реакции выполняют также регуляторную функцию, участвуя в системе обратной связи между процессами образования и использования энергии. Точное выяснение природы обратной связи требует дальнейшего изучения.

3–й этап: реакции использования энергии

Для того, чтобы понять, как происходит сокращение мышцы сердца, необходимо знать строение кардиального миоцита. Клетка на поперечном срезе содержит ядро, миофибриллы, митохондрии, Т-систему, саркоплазматический ретикулум. Основную массу клетки занимают миофибриллы. Их число доходит до 400-700 тысяч. Миофибриллы представляют собой длинные нити, которые переходят из саркомера в саркомер. Они состоят из двух типов нитей. Толстые нити миозина находятся по середине саркомера. Ось миозина образует легкая субъединица – L-меромиозин. H-меромиозин – главная, тяжелая субъединица, снабженная головками, которые образуют мостики с актином. Нити актина тонкие, расположены между толстыми, в области Z–линии каждая соединена с тремя - четырьмя нитями соседнего саркомера.

F-актин за счет энергии АТФ может переходить в G–актин (глобулярный актин). 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 – связывает Са++;
- TN–I – ингибирует актин;
- TN–T – привязывает тропонин к тропомиозину.

Таким образом, комплекс "тропонин – тропомиозин" блокирует актин.

Теперь о роли Са++ в сокращении. Главное депо Са++ – это T–система, саркоплазматический ретикулум и митохондрии. T–система образуется выпячиваниями сарколеммы в области Z–линии внутрь клетки. Саркоплазматический ретикулум 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 один залп. Цистерны близко прилегают к T–системе.

Во время плато потенциала действия увеличивается проницаемость мембраны для Са++, и он входит в клетку через кальциевые каналы. Это медленный кальциевый ток. Дальше часть Са++ (примерно 40%) используется в миофибриллах для сокращения. Вторая часть поступает в саркоплазматический ретикулум про запас. Когда деполяризация достигает T–системы, срабатывает натриевый триггер, и саркоплазматический ретикулум выбрасывает весь запас Са++ из цистерн. Это 60% всего Са++. В саркоплазме 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 энергии движения Na+ внутрь клетки по концентрационному градиенту. Это Na+–Cа++ насос.

2-й механизм. Кальциевый насос продольных трубочек саркоплазматического ретикулума быстро поглощает Са++ из миоплазмы. Сам Са++ активирует свое поглощение, стимулируя АТФ–азу мембраны саркоплазматического ретикулума. АТФ дает энергию 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, Са++ покидает комплексы "тропонин – тропомиозин", так как саркоплазматический ретикулум поглощает его в 3 раза более активно, наступает расслабление. Таким образом, во время потенциала действия медленный ток Са++ в клетку предопределяет и сокращение, и включение механизма расслабления. Быстрый ток Na+ в клетку вызывает выход Са++ из саркоплазматического ретикулума и дает энергию для удаления Са++ из клетки.

3-й насос – K+-Na+, за счет энергии 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 (TN-C), в нем происходят конформационные изменения, в результате чего комплекс "тропонин - тропомиозин" сдвигается и обнажает центры актина. Головки H-меромиозина образуют мостики с нитью актина. Используются энергия 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 ангстрем. Мышца укорачивается, происходит систолическое сокращение. В результате химическая энергия связей АТФ переходит в механическую работу.

Комплекс "тропонин-тропомиозин" (с TN–I) блокирует актин. Ионы Са++ проходят через поры мембраны и из саркоплазматического ретикулума, Са++ взаимодействует с TN-C, комплексы "тропонин – тропомиозин" поворачиваются, актин взаимодействует с миозином. Са++ уходит из клетки или в саркоплазматический ретикулум.

Заключение

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

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

Выпуск 49