Транспорт атф

Транспорт АТФ из митохондрий в цитоплазму осуществляется ферментными механизмами, главным образом АТФ-АДФ-транслоказой и креатинфосфокиназой (КФК). АТФ-АДФ-транслоказа расположена на внутренней мембране митохондрий и обеспечивает пренос АТФ из матрикса в цитозоль в обмен на АДФ в соотношении 1:1.

КФК система в миокарде представляет комплекс изоферментов, связанных с различными структурами клетки: около 30% КФК находится в митохондриях, 20% - в миофибриллах. Существует КФК сарколеммы и др. субклеточных органелл. Центральную роль в транспорте АТФ играет митохондриальная КФК, которая функционально сопряжена с АТФ-АДФ-транслоказой. Лимитирует скорость КФК реакции концентрация креатина и АТФ. Креатин синтезируется в печени из аргинина, глицина и метионина. Схема переноса энергии из митохондрий следующая:

1. АТФ переносится с помощью АТФ-АДФ-транслоказы через внутреннюю мембрану митохондрий на активный центр креатинкиназы (КК), который расположен на внешней стороне внутренней мембраны митохондрий.

2. В межмембранном пространстве митохондрий образуется комплекс "креатин+КК+АТФ" который распадается с образование креатинфосфата и АДФ.

3. Креатинфосфат диффундирует в цитоплазму, где и используется по назначению - отдает фосфатную группу на АДФ с образованием АТФ и креатинина.

Таким образом, энергетический обмен миокарда имеет преимущественно аэробный характер: около 85% энергии образуется с участием кислорода и 15% - за счет гликолиза. Поэтому даже максимальная активация гликолиза в условиях гипоксии миокарда не может обеспечить адекватный уровень энергоснабжения миокарда. Это определяет высокий уровень потребления кислорода миокардом, что составляет 8-10 мл кислорода на 100 г ткани в минуту. Это выше в 15 раз, чем средний уровень потребления кислорода другими органами. Основная часть АТФ (70%) расходуется на обеспечение сократительной функции миокарда, на работу ионных насосов затрачивается 20% АТФ, на структурный синтез - 10% АТФ.

Нарушения энергообеспечения миокарда

Процесс энергообеспечения миокарда может нарушаться по разным причинам. Главными причинами нарушения метаболизма миокарда являются:

1. Подавление окислительных процессов в результате дефицита кислорода и субстратов.

2. Повреждение мембранных структур.

1. ПОДАВЛЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ в результате дефицита кислорода и субстратов метаболизма возникает при инфаркте (ишемия) миокарда.

Причина нарушения энергообеспечения миокарда при ишемии:

а) нарушение синтеза АТФ,

б) нарушение транспорта АТФ,

в) нарушение утилизации АТФ.

А) НАРУШЕНИЕ СИНТЕЗА АТФ. В основе угнетения процессов синтеза макроэргических соединений лежит накопление в миокардиоцитах ВЖК. Причиной увеличения концентрации ВЖК в клетке являются:

а) захват ВЖК из плазмы, где их становится больше и в результате активации при гипоксии внутриклеточного липолиза,

б) избыточное накопление ВЖК в клетках сердца может быть также результатом нарушения их внутриклеточного метаболизма (окисления), вследствие увеличение концентрации в клетки восстановленных форм НАД и НАДФ (НАДН, НАДФН).

Механизм накопления ВЖК, ацил-КоА, ацилкарнитина в миокардиоцитах,

Ишемия миокарда ведет к накоплению в миокардиоцитах ВЖК в результате захвата их из плазмы и активации при гипоксии внутриклеточного липолиза. Увеличение ацил-КоА связано со следующим механизмом. Как известно процесс образования ацил-КоА протекает при участии фермента ацил-КоА-синтетазы и АТФ. Во-первых, в условиях ишемии, при начинающемся дефиците АТФ ацилирование ВЖК ингибируется, что в целом способствует повышению концентрации ВЖК в плазме. Во-вторых, нарушается дальнейший метаболизм образовавшегося ацил-КоА. В норме ацил-КоА проникает в митохондрии при участии карнитина и фермента карнитин-ацил-КоА-трансферазы в виде ацилкарнитина. В условиях ишемии транспорт его в митохондрии уменьшается вследствие дефицита карнитина и снижение активности фермента карнитин-ацил-КоА-трансферазы. Эти процессы ведут к повышению концентрации ацил-КоА. Увеличение концентрации ацил-КоА и ацилкарнитина обусловлено в свою очередь развивающимся при ишемии дефицитом окисленных форм НАД+ и НАДФ+. Этот дефицит обусловлен тем, что в условиях гипоксии ингибируется транспорт восстановленных НАД и НАДФ в дыхательную цепь митохондрий (которая тоже при гипоксии ингибируется) малат-аспартатным челночным механизмом. Кроме того, накоплению восстановленных форм НАДН и НАДФН способствует ингибирование их окисления в глицерофосфатоксидазной и лактатдегидрогеназной реакциях в цитозоле. При этом большая часть ацил-КоА накапливается в митохондриях, а ацилкарнитин - в цитозоле. Накопление метаболитов существенно изменяет работу ферментов и функцию мембран миокардиоцитов. Так, ацил-КоА подавляет транспорт адениннуклеотидов в митохондриях, активность ацил-КоА-сиснтетазы и триглицеридлипазы. Ацилкарнитин ингибирует Na-K-АТФазу, Са-АТФазу саркоплазматического ретикулума. ВЖК ингибируют Na-K-АТФазу. Кроме того, эти метаболиты внедряясь в липидную фазу клеточных мембран вызывают ее структурные повреждения и нарушения функции. Примером тому является подавление функции ферментов, участвующих в синтезе АТФ - сукцинатдегидрогеназы.

Существенно изменяется при гипоксии и гликолиз. На первом (начальном) этапе ишемии гликолиз активируется - это единственный значимый источник энергии. Известно, что факторами регулирующими протекание гликолиза являются: концентрация глюкозы, гексокиназа, фосфофруктокиназа, и скорость соответствующих реакций. В условиях ишемии приток глюкозы ограничен, в результате дефицита АТФ ограничивается и работа гексокиназы, одним из факторов, лимитирующих скорость гликолиза становится фермент глицеральдегид-3ф-дегидрогеназа, работающая на этапе превращения глицеральдегид-3ф в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту. Повышение активности этой дегидрогеназы гликолиза сопровождается гиперпродукцией НАДН. Поскольку работа малат-аспартатного челночного механизма ингибируется, концентрация НАДН растет до уровня, ингибирующего активность глицеральдегид-3ф-дегидрогеназы. В этих условиях единственным путем окисления НАДН является лактакдегидрогеназная реакция, протекающая с образованием лактата из пирувата. Однако при ишемии в связи с нарушением удаления из зоны ишемии продуктов метаболизма накопление лактата быстро ведет к развитию внутриклеточного ацидоза. В этих условиях активность ЛДГ подавляется. На втором этапе ишемии (терминальном) отмечается, кроме дальнейшего повышения концентрации НАДН в цитозоле, ингибирование фосфорилирования глюкозы (гексокиназной реакции) и образования фруктозо-1,6-дифосфата (фосфофруктокиназной реакции) вследствие дефицита АТФ. Это в свою очередь ведет к еще более глубокому снижению АТФ и увеличению НАДН. Как итог - подавление гликолитических реакций в миокарде, что рассматривается как главный фактор необратимости повреждения миокардиоцитов - развитие некроза.

Таким образом, снижение продукции АТФ в первые минуты ишемии является основным результатом подавления аэробного метаболизма глюкозы и ВЖК. Дальнейшее снижение уровня АТФ ниже критического уровня (менее 1 мкмоль/г), накопление НАДН, угнетение активности ферментов, а также накопление лактата обусловливает развитие внутриклеточного ацидоза. Ацидоз приводит к угнетению инициальных звеньев гликолиза - гексокиназного и фосфофруктокиназного, которые требуют затрат АТФ. Подавление гликолиза ведет к прекращению продукции АТФ, что в свою очередь является причиной необратимых структурных изменений и потере клеточных функций: сократимости, поддержание мембранных градиентов ионов (возбудимости, автоматизма), пластических процессов, регуляторных механизмов - некроз клетки.

Б) НАРУШЕНИЕ ТРАНСПОРТА АТФ при ишемии. Причиной нарушения транспорта АТФ в клетки являются условия возникающие в результате накопления продуктов метаболизма - НАДН, лактата, что ведет к ингибированию ферментов, участвующих в транспорте АТФ - АТФ-АДФ-транслоказа, КФК. (Вследствие дефицита карнитина и снижение активности фермента карнитин-ацил-КоА-трансферазы. Эти процессы ведут к повышению концентрации ацил-КоА.

В) НАРУШЕНИЕ УТИЛИЗАЦИИ АТФ. Одной из причин снижения энергообеспечения миокардиоцитов является нарушение утилизации АТФ. Это явление связано также со снижением активности ряда ферментов:

1. Прогрессирующее снижение при ишемии активности АТФазы миозина - фермента, участвующего в процессе сокращения миофибрилл за счет гидролиза АТФ. Поэтому в условиях ингибирования этого фермента даже наличие АТФ в зоне ишемии не может использоваться на сокращение.

2. Подавляется АТФазная активность и других эффекторных структур клетки: Na-K-АТФазы, АТФазы митохондрий.

2. ПОВРЕЖДЕНИЕ МЕМБРАННЫХ СТРУКТУР ПРИ ИШЕМИИ

Механизм альтерации биомембран и ферментов в миокардиоцитах при ишемии

Основными механизмами повреждения биомембран и ферментов при ишемии является следующие:

1. Интенсификации при ишемии процессов перекисного свободнорадикального оксиления липидов (ПОЛ),

2. Активация мембраносвязанных фосфолипаз и гидролаз.

3. Детергентные действия продуктов метаболизма при ишемии (деструкция

мембран продуктами ПОЛ и фосфолиполиза - лизофосфолипидами, ВЖК.

4. Дисбаланс ионов и жидкости в миокардиоцитах в результате нарушения проницаемости мембран

А. АКТИВАЦИЯ ПОЛ

В норме редокс-цепи в митохондриях обеспечивают восстановление большей части проникающего сюда кислорода с образованием воды. При этом защитная функция редокс-цепи восстановление (инактивация) кислорода совмещается с функцией генерации энергии, используемой в метаболизме.

Незначительная часть кислорода вступает в свободно-радикальные процессы (СРО), протекающие и в норме. Однако такая утечка кислорода представляет опасность ибо приводит к образованию активных форм кислорода и к значительному ускорению СРО.

В норме эта опасность контролируется антиоксидантами. Против активных форм кислорода (супероксидный анион-радикал, синглетный кислород) работают защитные механизмы. Так, СОД инактивирует супероксидный анион радикал кислорода: О2 + О2 + 2Н = Н2О2 + О2

Эта инактивация (дисмутация) происходит без образования свободных радикалов с образованием перекиси и молекулярного кислорода. Так, вода, каротиноиды, токоферолы тушат синглетный кислород, углекислота и гемоглобин - все электронно-возбужденных состояний кислорода.Однако, несмотря на защитные механизмы, часть активного кислорода вступает во взаимодействие с субстратом. Катализаторами СРО являются микроэлементы - металлы переменной валентности. Инициируется процесс перекисного окисления липидов (ПОЛ).

Перекисное окисление липидов - процесс окисления субстратов - ненасыщенных жирных кислот. Это могут быть СЖК, или ЖК в составе фосфолипидов (в мембранах в том числе). Это окисление - процесс не ферментативный, осуществляется при участии сильных окислителей без участия ферментов. Процесс образования перекисей липидов имеет цепной, свободно-радикальный механизм, характерный для реакций окисления органических соединений непосредственно молекулярным кислородом. Процесс ПОЛ может начинаться лишь в том случае, если в системе появятся свободные радикалы. Такими окислителями в тканях выступают:

1. Супероксидный анион-радикал - О2. Кислород в тканях легко восстанавливается в супероксидный анион-радикал. Он образуется при одноэлектронном окислении молекулярным кислородом восстановленного компонента дыхательной цепи. Супероксид-анион может восстанавливать окисленный цитохром С. Химическое действие супероксида в тканях усиливается в результате инициирования цепной реакции образования свободных радикалов.

2. Гидроксильный радикал - например при окислении ионов двухвалентного железа молекулярным кислородом образуется радикал НО2.

3. Гидроперекись Н2О2. Супероксиддисмутаза обезвреживая супероксидный анион-радикал приводит к образованию перекиси водорода Н2О2, являющейся сильным окислителем.

Эти радикалы обладают достаточно высокой реакционной способностью, начинают реагировать с окружающими молекулами. Ненасыщенные жирные кислоты являются подходящими субстратами для взаимодействия с радикалами. В ходе перекисных реакций образуется свободный радикал липида - R. Эти радикалы в свою очередь инициируют дальнейшее распространение процессов ПОЛ. Весь процесс ПОЛ можно разделить на 3 стадии:

1 стадия - инициация (образование свободного липидного радикала R из предшественника): RH + НО- = H2O2 + R

2 стадия - развитие цепных реакций.

Образовавшийся свободный радикал липида R быстро реагирует с молекулярным кислородом. Продуктами этого взаимодействия являются гидроперекиси ЖК, которые снова вовлекаются в цепную реакцию пероксидации:

R + O2 = ROO - перекисный радикал,

ROO + RH = ROOH + R - гидроперекись и радикал липида.

Важное свойство свободных радикалов заключается в том, что сколько бы раз ни произошла реакция радикала с молекулярным кислородом, число свободных радикалов не уменьшается. Напротив, в присутствии кислорода радикалы R соединяются с молекулами О2 и при этом образуется новый свободный радикал - RO2 - перекисный радикал.

Перекисный радикал может вступать во взаимодействие с новой молекулой НЖК при этом образуется гидроперекись ROOH и вновь появляется радикал R.

RO2 + RH - ROOH + R

Чередование последних двух реакций приводит к тому, что в процесс вовлекаются все новые и новые молекулы НЖК и кислорода: при этом образуются молекулы гидроперекиси, а число радикалов R остается неизменным. Это стадия продолжения цепи.

Если бы свободные радикалы реагировали только бы с новыми молекулами НЖК, то один радикал в присутствии достаточного количества кислорода мог бы превратить в перекиси все НЖК. Однако этого не происходит, тат как радикалы реагируют с другими радикалами, с ионами переменной валентности (двухвалентное железо), с молекулами антиоксидантов (токоферол).

При этом образуются малоактивные продукты и радикалы, не способные вступать в реакцию с новой молекулой НЖК и происходит обрыв цепи. Это стадия вырождения цепи.

В условиях ишемии, когда снижается парциальное напряжение кислорода в тканях, активируются процессы ПОЛ. Это объясняется тем, что кислород не утилизируется в дыхательной цепи вследствие чего возникает его относительный избыток. В этих условиях кислород выступает прооксидантом, как и другие, накапливающиеся при ишемии продукты метаболизма: восстановленные НАДН, ФАДН, продукты гидролиза АТФ, Са, адреналин.

Известна существенная роль адреналина в усилении ПОЛ. Существую следующие возможные пути:

А) окисление адреналина в адренохром в норме происходит при участии супероксидного анион-радикала кислорода и скорость этого процесса зависит от наличия продуктов ПОЛ, в частности гидроперекисей липидов.

Б) при ишемии содержание адреналина повышено, увеличивается образование и продуктов ферментативного и неферментативного окисления адреналина - адренохрома, супероксидного анион-радикала кислорода, перекиси водорода, гидроксильного радикала, обусловливающих в свою очередь интенсификацию ПОЛ

В) адреналин подавляет активность антиоксидантных систем. Адреналин увеличивает расход АТФ, что ведет к накоплению продуктов гидролиза АТФ - ксантина (АТФ---АДФ---АМФ---аденозин---аденин---гипоксантин---ксантин---мо-чевая кислота). В ходе реакций гидролиза АТФ образуются активные формы кислорода. Радикалы кислорода в свою очередь запускают свободнорадикальное окисление липидов, что ведет к активации ПОЛ. Существенную роль в процессе гидролиза АТФ играют ионы Са, который активирует ксантиноксидазу, окисляющую гипоксантин в ксантин.

Б. АКТИВАЦИЯ ФОСФОЛИПАЗ

При ишемии происходит активация мембраносвязанных фосфолипаз и гидролаз лизосом. Известно, что основу липидного слоя мембран миокардиоцитов составляют фосфолипиды, представленные в основном фосфатидилсерином и фосфатидилэтаноламином. В норме фосфолипазы и гидролазы лизосом, как и процессы ПОЛ являются факторами регулирующими обновление мембраннных фосфолипидов. Механизм активации фосфолипаз связан с действием ионов Са++, а лизосомальных гидролаз - ионами Н+. В условиях ишемии происходит накопление восстановленнных форм НАДН, ФАДН. Нарушение проницаемости мембран и увеличение внутриклеточной концентрации ионов Са++. Это и создает условия для повышения активности фосфолипаз и гидролаз, в клетке накапливаются продукты лизиса мембранных фосфолипидов - лизофосфолипиды, в 3-4 раза повышается содержание арахидоновой кислоты. Освобождающиеся из лизосом ферменты (катепсины, фосфотазы, галактозидазы) разрушают мембраны миокардиоцитов. В процессе гидролиза фосфолипидов фосфолипазами и лизосомальными гидролазами высвобождаются лизофосфолипиды и ВЖК (в реакциях ПОЛ образуются биологически активные вещества - простагландины, лейкотриены - запускают процессы повреждения и воспаления), которые внедряются в липидную фазу мембран и нарушают их физико-химические свойства, нарушают работу мембрано-связанных ферментов, изменяя их кинетические характеристики.

Г. ДЕТЕРГЕНТНЫЕ СВОЙСТВА АМФИФИЛЬНЫХ ЛИПИДОВ.

Амфифильность означает наличие как гидрофильных так и гидрофобных группировок в молекуле - это продукты действия фосфолипаз на фосфолипиды и ВЖК. Наибольшее повреждающее действие оказывает лизофосфатидилхолин и лизофосфатидилэтаноламин. Они внедряются в нормальную последовательность ФЛ, нарушая тем самым межмолекулярные взаимодействия, что ведет к электрофизиологическим изменениям в мембране. ЛФХ и ЛФЭА повышают тем самым проницаемость мембран для органических и неорганических соединений.

Д. ДИСБАЛАНС ИОНОВ И ЖИДКОСТИ В МИОКАРДИОЦИТЕ

Ведущую роль в расстройстве ритма сердца и его сократительной функции играет дисбадисбаланс К, Na, Ca. Как правило дисиония развивается вслед или одновременно с энергетическими расстройствами, повреждением мембран и ферментных систем.

Ишемизированный миокард характеризуется накоплением ионов Na, и Са в клетке и потерей К.

Дисбаланс К. Одним из ведущих проявлений дисионии является выход К из клетки и увеличение его внеклеточного содердания. Выход 1% внутриклеточного К вызывает увеличение его внеклеточного содержания в 2 раза. В клетке К находится в митохондриях и в комплексе с молекулами гликогена. Причины потери К при ишемии:

1. Снижение активности К-Na-АТФазы в связи с нарушение энергетического обеспечения, избытком Н+ и продуктов ПОЛ,

2. Увеличение проницаемости мембран (действие продуктов ПОЛ и лизофосфолипидов),

3. Высвобождение К из мест его внутриклеточной локализации (декомпарментализация). Как следствие - изменение электрофизиологических свойств клетки под влиянием избытка внеклеточного К, снижение мембранного потенциала, скорости деполяризации. Отсюда - нарушения автоматизма, возбудимости и проводимости - развитие аритмий.

Дисбаланс Na. Накопления Na в клетке идет вследствие подавления активности Na-К-АТФазы. Na в клетке удерживает воду. Дисбаланс Na. Ведет к нарушению возбудимости и набуханию клетки. Как следствие тормозится выход из клетки Са через Na-Са обменный механизм.

Дисбаланс Са. Кальций в норме принимает непосредственное участие в процессах:

А) сокращения и расслабления миокардиоцитов,

Б) снижает активность аденилатциклазы и повышает активность фосфодиэстеразы. Это приводит к снижению чувствительности миокардиоцитов к катехоламинам,

В) Усиливает гликолитическую продукцию АТФ, стимулируя транспорт глюкозы в клетку и ферментативную активность киназы фосфорилазы,

Г) регулирует аэробный метаболизм, усиливает окисление оксоглютарата, повышая активность дегидрогеназы ПВК, изменяя степень сопряжения процессов окислительного фосфорилирования и транспорта АТФ из митохондрий. (Са содержится в митохондриях и СПР).

Увеличение кальция при ишемии миокарда является результатом вхождения его по градиенту концентрации в клетку из внеклеточного пространства через поврежденную сарколемму. Увеличение концентрации Са в клетки сопровождается:

1. Расстройством сократительного процесса в результате нарушения процесса расслабления миофибрилл,

2. Нарушением сердечного ритма. Увеличение внеклеточного К тормозит быстрое вхождение в клетке Na. При этом потенциал действия генерируется в основном за счет транспорта Са по "медленным" Са-каналам. Поэтому процесс деполяризации характеризуется малой скоростью. Последнее вызывает замедление проведения импульса по миокарду и способствует развитию аритмии.

3. Усугубление дефицита энергии в результате разобщения окислительного фосфорилирования в связи с накоплением Са в митохондриях и ингибирования гликолиза при ишемии,

4. Повреждение мембран и ферментов за счет кальциевой активации ПОЛ, мембрано-связанных фосфолипаз и протеаз лизосом,

5. Нарушение адренергического механизма регуляции миокарда в связи с подавлением аденилатциклазы и активацией фосфодиэстеразы под влияние избытка внутриклеточного СА.

Таким образом, в условиях ишемии отмечается снижение содержания ионов К в клетке и увеличение концентрации Na и Са. Эти изменения лежат в основе понижения аритмического порога сердца и развития нарушения его ритма, способствуют угнетению сократительной функции миокарда, углублению энергодефицита, альтерации мембран и ферментов миокардиоцитов, нарушению механизмов регуляции их функции.

Однако отмеченные нарушения в миокарде развиваются не только непосредственно при его ишемии, но и после восстановления кровотока. В миокарде после восстановления микроциркуляции развивается реперфузионный синдром. В основе развития постишемического реперфузионного синдрома лежат ряд факторов:

1. Эффект "биохимической ударной волны" - приток к клеткам кислорода, метаболитов и ионов,

2. Усугубление повреждения мембран и ферментов в результате интенсификации ПОЛ, что связано с относительной нипероксией миокарда и притоком прооксидантов, повышенной активности мембрано-связанных и солюбилизированных фосфолипаз, а также разрушающего детергентного действия образующихся при этом амфифильных соединений (ВЖК, продуктов ПОЛ, лизофосфолипидов), внедряющихся в липидный слой мембран, растяжение и разрыв сарколеммы и мембран органелл вследствие накопления в них катионов Na, Са,

3. Выход из миокардиоцитов продуктов метаболизма, ионов, ферментов.