ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ В МИТОХОНДРИЯХ: РОЛЬ КАРНИТИНА И КОА-БН

Окисление ЖК в митохондриях эукариотов описано в начале прошлого века как четырехэтапный процесс, локализованный в матриксе в контакте с внутренней мембраной. Окисление ЖК в митохондриях формирует физиологичный ответ: 1) на голодание — нарушение биологической функции трофологии, биологической реакции экзотрофии; 2) нарушение биологической функции гомеостаза; 3) формирование биологической функции адаптации и биологической реакции воспаления при действии инфекционных патогенов; 4) активацию биологической функции адаптации; 5) биологическую функцию локомоции — усиление мышечной активности. ЖК — основной субстрат для наработки энергии в митохондриях всех клеток. За счет (3-окисления ЖК в митохондриях образуется тепло и в бурой жировой ткани. Филогенетически древняя и специфичная по составу ФЛ внутренняя мембрана митохондрий обладает низкой проницаемостью. Она свободно пропускает: 1) метаболиты С4 масляной кислоты (кетоновые тела и карнитин); 2) короткоцепочечные С6—С10ЖК и 3) С 16:0 пальмитиновую НЖК. Только для нее мембрана имеет специфичный транспортер — карнитин-паль-митоил-ацилтрансферазу. Его действующее начало — метаболит С4 масляной ЖК — L-карнитин (КАР).

КАР (гидрокситриметиламиномасляная ЖК) задействован в переносе пальмитиновой НЖК через внутреннюю мембрану в матрикс митохондрий. Высокую концентрацию КАР в клетках (в 50 раз выше, чем в плазме крови) поддерживает система его активного транспорта. В скелетной и сердечной мышцах имеется специфичный переносчик КАР, в печени же экспрессирован несколько иной белок-переносчик. L-карнитин — вторичный, гидрофобный спирт. Он открыт в России А.С. Гулевичем в 1927 г. и назван от латинского слова carnis — мясо. КАР определяет интенсивность окисления ЖК в гепатоцитах, поперечно-полосатых миоцитах и в синцитии миокарда. Синтез КАР в клетках происходит из незаменимых аминокислот — лизина и метионина. Образование КАР зависит от особенностей биологической реакции экзотрофии. Большую часть КАР синтезируют скелетные миоциты. Скорость формирования мышечной ткани определена прежде всего возможностью синтеза КАР. Другие клетки поглощают КАР из межклеточной среды. L-карнитин активно задействован в (3-окислении ЖК в матриксе митохондрий и образовании ацетил-Ко А.

Во время сна и физической активности (биологическая реакция эндотрофии) ЖК при действии КАР являются единственным субстратом для образования более 80% потребляемого in vivo АТФ. Основная функция КАР — перенос пальмитиновой НЖК через внутреннюю мембрану митохондрий при действии транспортера карнитин-пальмитоил-ацилтрансферазы. Гепатоциты в большей степени, но и каждая клетка тоже, способны при (3-окислении

С4 масляной ЖК образовывать метаболиты — кетоновые тела — (3-гидроксибутират и ацетоацетат, которые в межклеточной среде могут быть субстратами для окисления в митохондриях клеток с целью наработки АТФ в экстрапеченочных тканях, в частности, в нейронах мозга.

В отсутствие Ь-КАР внутренняя мембрана митохондрий непроницаема как для НЭЖК, так и для их активированной неполярной формы ЖК — ацил-КоА. КАР определяет и величину отношения ацил-КоА/ацетил-КоА в цитоплазме клеток. Во время интенсивной физической нагрузки увеличивается скорость образования в митохондриях ацетил-КоА из ацил-КоА и усиливается окисление его в цикле Кребса и дыхательной цепи. При избытке в матриксе ацетил-КоА из двух его молекул образуется ацетоацетил-КоА, а из трех молекул ацетил-КоА — малонил-КоА. Избыток физиологичного ацетоацетил-КоА (макроэргический субстрат) выходит в цитоплазму и в межклеточную среду. Он подавляет активность комплекса пируватдегидрогеназы в цитоплазме, а образующийся из пирувата ацетил-КоА превращается в лактат. Образование из трех молекул ацетил-КоА малонил-КоА в матриксе ингибирует транспортер карнитин-пальмитоил-ацилтрансферазу, поступление ацил-КоА в митохондрии, (3-окисление и наработку ацетил-КоА из ацил-КоА.

На наружной стороне внутренней мембраны митохондрий при действии АТФ-зависимых синтетаз происходит переэтерификация пальмитиновой НЖК из эфирной связи с КоА-БН в эфирную связь с КАР. После преодоления мембраны и вхождения в матрикс митохондрий на внутренней стороне внутренней мембраны происходит обратная переэтерификация ацила из эфира с карни-тином в эфир с КоА-8Н. Карнитиновые эфиры переносит через внутреннюю мембрану митохондрий карнитин-ацил-КАР-транс-локаза в обмен на выведение из матрикса митохондрий свободного КАР. Наконец, в самом матриксе митохондрий карнитин-пальмитоил-трансфераза переносит ацильные остатки ЖК от КАР опять к КоА-БН, в результате вновь образуются ацил-КоА-тио-эфры. Таким образом: 1) перед внутренней мембраной митохондрий НЭЖК представлена в неполярной форме ацил-КоА, она преодолевает мембрану в неполярной форме ацил-карнитина при действии специфичной транслоказы, а оказавшись в матриксе митохондрий, опять переэтерифицируется в неполярную форму ацил-КоА. Средне- и короткоцепочечные ЖК (длина цепи менее СЮ), как и кетоновые тела, преодолевают внутреннюю мембрану митохондрий без карнитина (рис. 1.4).

сн3 он

Н3С / I

СОСГ

Структурная форма L-карнитина

Рис. 1.4. Структурная форма L-карнитина

?ЧГ +

/

Н3С

КАР подавляет накопление в клетках лактата, увеличивая работоспособность при интенсивных физических нагрузках. Скелетные миоциты долго рассматривали как основное место образования лактата, главную причину мышечного утомления в условиях недостатка 02. Уже ясно, что скелетные миоциты имеют значение не только для образования лактата, но и его утилизации. Это привлекло интерес к лактату как субстрату для наработки энергии и в иных клетках. Использование радиоактивно меченого лактата показало, что миоциты интенсивно извлекают лактат из межклеточной среды (внутрисосудистого русла) и активно его окисляют. В некоторых физиологичных условиях (активация биологической функции локомоции, состояние ишемии, биологическая функция адаптации, биологическая реакция стресса) увеличение активности пируватдегидрогеназного комплекса, интенсивности гидролиза ТГ и окисления ЖК может превысить окисление ацил-КоА в цикле Кребса, что сопровождается накоплением ацетил-КоА и ацильных производных KoA-SH, в частности малонил-КоА. Отношение ацетил-KoA/KoA-SH — регулятор окисления пирувата и ЖК.

Основными источниками L-KAP являются мясо-молочные продукты. Зерновые, фрукты и овощи содержат L-KAP в небольших количествах. В пище человека содержится в среднем 5—100 мг L-KAP в сутки. Всасывание экзогенного L- и D-КАР в желудочно-кишечном тракте клетками эпителия происходит как при помощи белков-переносчиков, так и путем пассивного поглощения. При приеме per os максимальная концентрация КАР в плазме крови наступает через 3,5 ч. Биодоступность L-KAP как биологической добавки составляет (54—87%) и зависит от дозы. Поглощение синтетического L-KAP в форме пищевых добавок и лекарственных препаратов (0,5—6,0 г/сут) происходит главным образом пассивно. При этом биодоступность такого L-KAP составляет только 14—18%. Оставшееся количество L-KAP утилизируют микроорганизмы в толстом кишечнике. Период полувыведения L-KAP —15 ч.

В экспериментах in vitro ацетилкарнитин в процессе поглощения частично гидролизуется в энтероцитах. In vivo после введения с пищей ацетил-КАР в дозе 2 г/сут его концентрация в крови увеличилась на 40% — это указывает, что ацетил-КАР, по крайней мере частично, поглощают энтероциты без гидролиза. Транспортером, который лимитирует скорость поглощения митохондриями ЖК, является карнитин-пальмитоил-ацилтрансфераза; аллостерическим регулятором транспортера является малонил-КоА. При усилении поглощения инсулинзависимыми клетками глюкозы, повышении концентрации малонил-КоА в цитоплазме, как полагают, происходит ингибирование субстратом активности карнитин-паль-митоил-ацилтрансферазы. При этом уменьшение поступления ЖК в матрикс вынуждает митохондрии переключиться на окисление глюкозы при усилении активности инсулинзависимого ГЛЮТ4. Карнитин-пальмитоил-ацилтрансфераза функционирует в двух изоформах — печеночной и мышечной.

После однократного внутривенного введения в дозе 0,5 г ацетил-карнитин быстро, но не полностью гидролизуется, а концентрация ацетил-карнитина и Ь-КАР возвращается к исходным значениям в течение 12 ч. Специфичные транспортные для Ь-КАР белки функционируют в сердечной мышце, скелетных мышцах, те-стикулах, печени и почках. Эти белки осуществляют его перенос из межклеточной среды в цитоплазму клеток, формируя содержание Ь-КАР в клетках в десятки раз выше. Стерический (оптический) изомер Э-КАР, а также ацетил-карнитин конкурируют с внеклеточным Ь-КАР за те же связующие домены белков переносчиков. Снижение концентрации Ь-КАР в миокарде и скелетной мышце происходит через 4 сут после введения О-КАР.

Выводят Ь-КАР паракринные сообщества нефрона путем биологической реакции экскреции (почки являются основным органом в реализации биологической функции эндоэкологии, биологической реакции экскреции, а также биологических реакций эндоэкологии и гомеостаза). Экскреция КАР происходит в Ь-форме и до 40% — в виде ацетил-карнитина. Одновременно О-КАР частично превращается в токсичный ацетонилтриметиламмоний или выводится с мочой в виде О-КАР. В пределах физиологичных концентраций реабсорбция Ь-КАР в проксимальных канальцах составляет 90—99% (клиренс — 1—3 мл/мин). Если концентрация циркулирующего в крови Ь-КАР уменьшается, интенсивность реабсорбции в почках возрастает, а клиренс соответственно уменьшается, что способствует поддержанию постоянства концентрации Ь-КАР в биологической реакции гомеостаза. Э-КАР конкурирует с Ь-КАР в местах реабсорбции в проксимальных почечных канальцах. Транспорт Ь-КАР в везикулах мембраны щеточной каемки эпителия почек крыс блокируют как структурные аналоги или производные Б-КАР (ацетил-карнитин), так и его оптический Э-изомер.

Дефицит Б-КАР вместе с подавлением (3-окисления ЖК в митохондриях приводит прежде всего к миопатии и функциональным нарушениям сердечно-сосудистой системы: понижению гидродинамического давления в левом желудочке, уменьшению сердечного выброса, сократимости миокарда. При ишемической болезни сердца и гипоксии в цитозоле миоцитов миокарда накапливаются длинноцепочечные ЖК в форме ацил-КоА. Они нарушают оксигенацию миокарда и понижают образование АТФ. Задержка синтеза АТФ, так же как и внутриклеточное накопление длинноцепочечных ЖК в форме ацил-КоА, может зависеть от снижения поступления в клетки Б-КАР. На изолированном сердце свиньи показано, что Б-КАР на фоне гипоксии миокарда блокирует токсическое действие НЭЖК. При этом Б-изомер карнитина более вы-раженно нормализует биохимические и физиологичные параметры миокарда, нежели рацемическая смесь Э- и Б-КАР. Эти результаты подтверждены клиническими наблюдениями у пациентов с ИБС.

Оценено влияние изосорбитнитрата, Э,Б-КАР и Б-КАР на частоту приступов стенокардии и потребление нитроглицерина у пациентов с ИБС — ежедневный прием изосорбитнитрата уменьшает число приступов стенокардии и потребление нитроглицерина. Дополнительное введение Б-КАР пролонгировало симптоматическое улучшение. Рацемическая же смесь КАР по сравнению с Б-КАР увеличивает число приступов стенокардии и потребление нитроглицерина. Прием Б-КАР повышает толерантность больных стенокардией к физической нагрузке, а ЭБ-КАР, напротив, резко ее понижает. Изменение пространственного расположения функциональных групп в молекуле биологически активных веществ имеет выраженные последствия. Б-КАР является эссенциальным, поскольку выполняет роль транспортера ЖК в митохондрии. Напомним, что ЖК в форме тиоэфиров, ацил-КоА также не могут преодолеть внутреннюю мембрану митохондрий, пока при реакции переэтерификации не превратятся в эфиры с КАР, в ацил-КАР. Дефицит Б-КАР может понизить содержание ЖК в матриксе митохондрий и уменьшить синтез АТФ.

В цитоплазме клеток и матриксе митохондрий ЖК находятся в активной, неполярной форме тиоэфиров с коэнзимом А, КоА-БН. Молекула КоА-БН, которая образует тиоэфиры (-С-Б-С-) с ЖК разной длины, состоит из остатков адениловой кислоты, пирофосфатных групп, остатка пантотеновой кислоты (витамин В5) и (3-меркаптоэтанола (рис. Б5). Пантотеновая кислота — это [Э (+) а, g-ди<жcи-b, Ь-диметилбутирил-Ь-аланин]. Стоит обратить внимание на то, что пантотеновая кислота, как и Ь-карнитин, содержит в составе С4 масляную ЖК, т.е. является ее производной. Суточная потребность человека в пантотеновой кислоте (5—10 мг) удовлетворяется при смешанном питании. Синтезирует ее и флора кишечника. КоА определяет течение биохимических реакций, которые лежат в основе окисления и синтеза ЖК, биосинтеза липидов, окислительных превращений продуктов распада углеводов. КоА действует как промежуточное звено, связывает и переносит остатки ЖК в биохимических реакциях. При этом кислотные остатки в составе соединений с КоА (ацил-КоА) подвергаются превращениям или обмениваются без изменений на иные метаболиты.

Кофермент А (КоА) — фактор перевода ЖК и их метаболитов в полярную форму ацил- и ацетил-КоА и участия в биохимических реакциях

Рис. 1.5. Кофермент А (КоА) — фактор перевода ЖК и их метаболитов в полярную форму ацил- и ацетил-КоА и участия в биохимических реакциях

в цитоплазме клеток и в матриксе митохондрий

В клетках КоА находится в цитоплазме, причем до 95% всего пула КоА-БН содержат митохондрии. Наличие внутриклеточного переноса КоА-8Н, что описано в последнее время, является необходимым, поскольку: синтез КоА протекает главным образом в цитоплазме, действует КоА-БН в митохондриях и деградация КоА-БН также происходит за пределами митохондрий; фосфатазы, которые гидролизуют КоА, локализованы в лизосомах клеток. В силу этого перенос КоА-8Н происходит как в митохондрии, так и из митохондрий в цитоплазму. Митохондрии повышают поглощение КоА-БН в присутствии субстратов окисления — глюкозы и ЖК, которые обеспечивают электрохимический градиент на мембране. Перенос КоА-ЭН ингибируют фосфаты по причине конкуренции как за места связывания на мембране, так и за влияние фосфатных групп метаболитов на потенциал мембраны митохондрий. Торможение переноса КоА-8Н через внутреннюю мембрану митохондрий при действии валиномицина (разобщителя окисления и окислительного фосфорилирования 2,4-динитрофенола и актиномицина) связано в основном с нарушением электрохимического градиента протонов.

Физиологичное значение имеет не только поддержание адекватного содержания KoA-SH в клетках in vivo, но и сохранение его необходимого уровня для функции митохондрий. При патологических состояниях происходит уменьшение внутриклеточного пула КоА, что приводит к снижению концентрации как свободного KoA-SH, так и ацил- и ацетил-КоА и уменьшает формирование АТФ. Основное биологическое значение пантотеновой кислоты — участие в синтезе KoA-SH и поддержание его оптимального уровня в клетке. Однако данные последнего времени позволяют утверждать, что содержание KoA-SH в клетках (за исключением состояний алиментарной недостаточности витамина), вероятно, напрямую не связано с уровнем пантотеновой кислоты в тканях. Поэтому важно рассмотреть метаболические последствия уменьшения внутриклеточного пула КоА. Нарушение отношения ацил-КоА/ KoA-SH может оказать влияние практически на все процессы метаболизма. Значение имеет изменение внутриклеточного пула КоА, отношения между свободной формой КоА (KoA-SH) и ацил-КоА.

Содержание общего КоА (KoA-SH + ацил-КоА + ацетил-КоА) в печени может меняться при патофизиологических состояниях: при голодании и сахарном диабете происходит увеличение ацил-КоА, а не снижение KoA-SH. Введение животным клофибрата — искусственной дихлорфенилпропионовой ЖК, функционального агониста РАПП, приводит к тому, что кофермент становится менее чувствительным к действию ингибиторов, что явно способствует увеличению пула КоА в тканях. При кормлении животных пищей с добавлением клофибрата содержание ацетил-КоА в экспериментальных условиях стало в 30 раз выше в митохондриях, чем в цитоплазме. Вместе с тем концентрация ацетил-КоА в цитоплазме в отличие от митохондрий в ряде случаев может снижаться, что и происходит in vitro при использовании в качестве субстрата (3-окисления длинноцепочечной олеиновой МЖК.

При перфузии изолированного сердца буферным раствором, содержащим пальмитиновую НЖК, ацетат, (3-гидроксибутират и пи-руват, в ткани увеличивается содержание ацетил-КоА и в меньшей мере KoA-SH. Причем перфузия сердца буферным раствором, который содержит только глюкозу, ускоряет синтез KoA-SH, повышает его уровень и понижает содержание ацетил-КоА в ткани. Во взаимосвязи между концентрацией KoA-SH и скоростью его

синтеза следует признать преобладание аллостерического действия ацетил-КоА по сравнению с иными метаболитами. Последовательное действие КоА-БН, ацил-КоА, а далее КАР и карнитин-пальмитоил-ацилтранферазы и опять ацил-КоА в матриксе митохондрий обеспечивает возможность (3-окисления ЖК и в конечном итоге формирование макроэргических АТФ (рис. 1.6).

Цитоплазма

О

11—С-БКоА

Мембрана митохондрий

НО—карнитин

НО—карнитин

Г

Матрикс

О

11—С-БКоА

КоАБН

Л

О

О

Я—С~0—карнитин—? И—С~0—карнитин

КоАБН

Рис. 1.6. Схема трех этапов переноса пальмитиновой НЖК через внутреннюю

мембрану митохондрий

Основная функциональная часть митохондрий — матрикс и окружающая его внутренняя мембрана. В мембране необычно высоко содержание ФЛ кардиолипина. Это определяет ее низкую проницаемости для ионов. Все это подтверждает, что: 1) митохондрии анатомически и функционально являются органеллами (частью), причем не просто прокариотов, а более древних одноклеточных архей, и 2) функционируют они в клетках эукариотов в результате филогенетически древнего симбиотического слияния.

Повышение проницаемости внутренней мембраны митохондрий для ионов является первым нарушением, за которым следует формирование синдрома апоптоза или гибель клеток по типу некроза. В мембрану встроены и транспортные белки, которые избирательно переносят в матрикс небольшие молекулы, подвергающие метаболизму ферменты, локализованные в матриксе митохондрий. Здесь располагаются ферменты, которые гидролизуют пируват и ЖК в ацетил-КоА, а затем окисляют его в цикле Кребса. Основные конечные продукты окисления — С02 и НАДН. Последние служат основным источником электронов при их переносе по дыхательной цепи до Н20. Ферменты реакции встроены во внутреннюю мембрану митохондрий и важны для окислительного фосфорилирования и синтеза АТФ. Наружная мембрана митохондрий содержит транспортные протеины, которые образуют гидрофильные каналы в гидрофобном бислое липидов. Она более напоминает сито, которое пропускает все молекулы белка с молекулярной массой < 5 кДа. Белки проходят в межмембранное пространство митохондрий, но преодолеть внутреннюю мембрану не могут.

Можно полагать, что матрикс митохондрий по составу ионов сходен с анионами и катионами цитоплазмы. В то же время филогенетически наиболее ранняя ионная среда симбионта, которая отгорожена от цитоплазмы клетки-хозяина наружной и внутренней мембраной митохондрий, может быть в матриксе и иной. Возможно, пул матрикса митохондрий, как симбионта, является самой ранней в филогенезе биологической средой. Более 90% Mg++ в клетках содержат митохондрии, определяя, можно полагать, специфичность ионного состава внутримитохондриальной среды. Известно, что ионы Mg являются кофактором многих ферментов и активируют многие биохимические реакции.

С недостатком Mg++ в миоцитах связывают синдром хронической мышечной усталости. Вероятно, поэтому введение карнитина и ионов Mg является обязательным условием наращивания массы поперечнополосатых скелетных мышц, усиления мышечного сокращения и более эффективного синтеза АТФ. С позиций физиологии усталость мышц наступает после исчерпания в матриксе митохондрий субстрата для наработки АТФ — ацетил-КоА и накопления межуточных продуктов метаболизма — молочной кислоты (лактата) с развитием метаболического ацидоза. При этом дефицит ацетил-КоА в митохондриях наступает не по причине недостаточного содержания ацил-КоА в цитозоле, а вследствие низкой активности переноса ацил-КоА через внутреннюю мембрану митохондрий, который осуществляет карнитин-пальмитоил-ацилтрансфераза. Причиной этого может быть дефицит КАР и недостаток в матриксе ионов Mg. Эффективность функции митохондрий во многом определена количеством основного компонента карнитин-пальми-тоил-ацилтрансферазы — L-KAP. Он может быть образован и in vivo из С4 масляной ЖК, эсссенциальных аминокислот лейцина и метионина при участии витаминов В3, В6, В,2 и ионов Fe++. Чем меньше L-KAP (и его эфиров) содержится в плазме крови, тем ниже работоспособность и хуже самочувствие пациента.

Основными депо энергетических субстратов для митохондрий являются ТГ жировых депо и гликоген перипортальных гепато-цитов и скелетных миоцитов. Гликоген в цитоплазме клетки гидро-лизован до глюкозы и далее (при гликолизе) до двух молекул пи-рувата. При полном окислении в миоцитах ТГ жировой ткани образуется в 6,5 раз больше АТФ, чем при окислении равного по массе количества гликогена. Если полностью заменить in vivo всю жировую ткань на энергетически то же количество гликогена, масса тела человека увеличится более, чем на 25 кг. Запасов гликогена in vivo в среднем достаточно на сутки при его «базальной» активности; запасов ЖК в адипоцитах жировой ткани хватит на месяц. При окислении в митохондриях молекулы С 16:0 пальмитиновой НЖК образуется 129 (131) молекул АТФ; при окислении молекулы глюкозы (С6Н1206), включая реакции гликолиза, — 36.

Потребность в липидах возрастает в периоды реализации биологической функции трофологии, биологической реакции эндо-трофии. Большая часть ацетил-КоА, который подвергается метаболизму in vivo в цикле Кребса, образуется не из гликогена и глюкозы, а из короткоцепочечных ЖК, длинноцепочечных НЖК и МЖК. И если глюкозу in vivo можно физиологично превратить в пальмитиновую НЖК как «гидрофобную форму» глюкозы, то глюконео-генез из ЖК у человека, если и происходит, то в малом количестве. В то же время крысы намного активнее осуществляют синтез глюкозы из ЖК. Заметим, что все ферментные системы для такого синтеза в гепатоцитах человека имеются, но они не экспрессированы.

Многие ткани in vivo чувствительны к нарушениям окислительного фосфорилирования в митохондриях. Это миоциты миокарда, скелетные и гладкие мышечные клетки, нейроны центральной и периферической нервной системы, почки и продуцирующие инсулин (3-клетки островков поджелудочной железы. К примеру, мутации мРНК в (3-клетках островков Лангерганса и нарушение образования АТФ являются причиной диабета первого типа. Естественно, что геном ядра клетки контролирует формирование митохондрий, однако чаще происходят мутации в первичной структуре мРНК самих митохондрий.

Возможны дефекты функции такого переносчика электронов, как коэнзим Q, синтез которого в митохондриях выраженно понижается при лечении статинами. Хронический алкоголизм и применение противовирусной терапии аналогами нуклеозидов ингибирует репликацию мРНК в митохондриях. Применение препаратов Q10 оказывает позитивное действие при лечении некоторых форм кардиомиопатий. Первичные дефекты функции митохондрий являются причиной более 100 нозологических форм заболеваний и число их продолжает увеличиваться. Однако вмешаться в функцию митохондрий или изменить их сформированные в филогенезе субстратные «предпочтения» невозможно.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >