Особенности метаболизма мышц и печени при гипоксии

При моделировании аноксии на тканевых образцах в общих чертах воспроизводится та же закономерность изменения потребления кислорода, что и после декапитации животного. Степень выраженности и длительности периода постгипоксической активации, необходимого для восстановления энергетической регуляции, определяется, по-видимому, периодом аноксии. Следует ожидать, что в менее жестких условиях (различные формы подострой гипоксии), когда возможно проявление и положительное влияние адаптационно-компенсаторных механизмов, характер восстановительных процессов впоследствии будет отличаться.

В условиях гипоксии изменяется динамика окислительно-восстановительных процессов в мышцах и печени. Дефицит энергии составляет суть любой формы гипоксии и обусловливает качественно однотипные метаболические и структурные сдвиги в различных органах и тканях [12]. Происходит быстрое истощение резерва кислорода, связанного с гемоглобином и миоглобином, снижается уровень субстратов окисления в тканях, повреждается структура мембран митохондрий и снижается активность митохондриальных ферментов, в результате чего нарушаются процессы окислительного фосфорилирования в митохондриях и процессы транспорта АТФ из митохондрий к местам ее использования. Это приводит к снижению концентрации АТФ и креатинфосфата (КФ), накоплению продуктов метаболизма макроэргов [18]. При этом скорость снижения концентрации КФ существенно больше, чем АТФ, что обусловлено быстрым расходованием его на образование АТФ и нарушением транспорта из митохондрий. Возникающий в ткани энергодефицит ослабляет репаративные процессы, в том числе ресинтез мембран [6].

Активность креатинкиназы в мышцах и печени снижается . Вероятно, это является результатом выхода фермента в кровь. После 2-3 часовой гипоксии активность фермента возвращается к нормальному уровню, повышение активности выше нормы при острой гипоксии не наблюдается [18]. Восстановление нормального уровня КФ после воздействия кратковременной аноксии при возобновлении кровотока в миокарде происходит через 1-5 минут. Значительно медленнее возрастает содержание АТФ и ГТФ, по-видимому, из-за распада части пула пуриновых нуклеотидов. В отсутствии КФ, когда прекращается рефосфорилирование АДФ в процессе окислительного фосфорилирования, часть АТФ синтезируется из АДФ в равновесной аденилаткиназной реакции: 2АДФ-АТФ+АМФ. АМФ быстро дефосфорилируется 5′-нуклеотидазой до аденозина, который дезаминируется до инозина с последующим образованием ксантина и гипоксантина. Под действием ксантиноксидазы гипоксантин превращается в ксантин и мочевую кислоту. Генерируемые неполярные соединения проникают через клеточную мембрану и вымываются из миоцитов. Поскольку биосинтез адениннуклеотидов происходит медленно, их деградация практически необратима, и поэтому уровень АТФ и АДФ при гипоксии практически не восстанавливается [3, 10].

Известно, что при острой гипоксии происходит активация гликолиза и гликогенолиза, синтез гликогена снижается. Интенсивность гликолиза резко возрастает (в 10-20 раз) за счет активации фосфофруктокиназы и индукции ее гена. Активированный гликолиз протекает за счет расщепления глюкозы, скорость поступления которой увеличивается при аноксии. Трансмембранный перенос глюкозы часто становится в этих условиях стадией, лимитирующей скорость гликолиза [26]. Предпочтение глюкозы как субстрата окисления определяется не только регуляцией катаболических реакций, но и на уровне транкрипции.

Содержание глюкозы при гипоксии увеличивается главным образом за счет активации гликогенолиза. Активация происходит из-за повышенного в условиях гипоксии выброса катехоламинов, гормоны взаимодействуют с мембранными рецепторами, что ведет к увеличению внутриклеточного содержания ц-АМФ; ц-АМФ в свою очередь активирует протеинкиназу, а она – гликогенфосфорилазу. Вместе с тем, отмечено усиление глюконеогенеза в печени в начальной стадии гипоксии [26, 30].

Несмотря на усиление гликолиза, концентрация макроэргов падает и вскоре достигает уровня, неспособного обеспечить не только функциональную активность клетки, но и её жизнеспособность. Накопление лактата вызывает ацидоз. Ацидоз приводит к ингибированию ключевых гликолитических ферментов, в том числе фосфофруктокиназы. Из-за накопления лактата не восстанавливаются те количества НАД, которые необходимы для поддержания 3-глицерофосфатдегидрогеназной реакции. Это обстоятельство также способствует ингибированию гликолиза, скорость которого резко уменьшается в течение 20-25 мин аноксии. Продолжительная гипоксия приводит к индукции генов фосфофруктокиназы и других ферментов гликолиза.

Распад белка может служить в течение определенного времени дополнительным источником энергии, регулируя тканевый уровень аминокислот, вовлекающихся в глюконеогенез либо в реакции трансаминирования с дальнейшим включением в ЦТК, что, по-видимому, происходит при гипоксии. При этом наибольшее значение имеют аспарагиновая и глутаминовая кислоты [26].

В условиях аноксии, несмотря на ингибирование протеолиза и катаболизма большинства аминокислот, скорость деградации глутаминовой и аспарагиновой кислот увеличивается. Их деградация обусловлена сопряженным трансаминированием, приводящим к синтезу аланина, и связана с образованием α-кетоглутарата и оксалоацетата. Следствием происходящего при этом синтеза сукцината должен быть выход ГТФ и АТФ в реакциях субстратного фосфорилирования и НАДН-зависимого восстановления фумарата, что представляется существенным при блокировании аэробной энергопродукции.

В настоящее время считается, что блокирование дыхательной цепи происходит в первую очередь под действием NO (окись азота) и его производных. NO концентрация в митохондриях увеличивается в течение гипоксии. Это NO накопление обосновано работой группы NO-синтетаз, наиболее вероятный их источник, фермент-mtNOS расположенный или в пределах митохондрии или в пределах юкстамедуллярных камер эндоплазматической сети. Наведенное гипоксией увеличение NO концентрации ослабляет митохондриальное дыхание, это вызвано тем, что: NO - конкурентный ингибитор оксидазы цитохрома. Увеличение в митохондриях печени NO концентрации накопленной в пределах гипоксического периода вызывает ингибирование оксидазы цитохрома (комплекс IV дыхательной цепи). Кроме того, ONOO^- производное от NO затрудняет работу комплексов I, и V дыхательной цепи. Можно считать доказанным, что компонент блокады дыхательной цепи в уменьшение дыхания установлен исключительно для NO, который синтезируется NO-синтетазами в пределах митохондрий [23].

Литературные данные свидетельствуют о важной роли анаэробного образования сукцината при аноксических и гипоксических состояниях, а также об активации окисления сукцината (АОС) в условиях гипоксии. Оказалось, что образование сукцината в изолированных митохондриях интенсивно идет из α-кетоглутаpaтa с малатом, α-кетоглутарата с аммонием и из малата. Показано также не энзиматическое образование сукцината при АОС.

Из-за накопления молочной кислоты и других недоокисленных продуктов углеводного и жирнокислотного обменов нарастает внутриклеточный метаболический ацидоз, при котором происходит активация лизосом, усиливаются катаболизм белков, фосфолиполиз и ПОЛ, угнетается активность ряда ферментных систем, в частности креатинкиназной и антиоксидантной [18].

Одним из наиболее существенных механизмов изменений, связанных с нарушением энергетики клетки при снижении парциального давления кислорода в тканях, является активация процессов ПОЛ. В условиях гипоксии, когда концентрация АТФ в клетках снижена, кальций накапливается в цитоплазме, что приводит к активации нескольких протеаз, способствующих образованию свободных радикалов, которые окисляют липиды клеточных мембран. Фосфолипаза А2 также активируется при возрастании концентрации кальция в цитозоле. Эта липаза освобождает арахидоновую кислоту из фосфолипидов мембран [5]. Метаболизм арахидоновой кислоты дает также свободные радикалы. Если значительная часть липидного биослоя клеточной мембраны переокислена, то клетка неспособна поддерживать электролитный состав и наступает ее деструкция. Сходные реакции происходят с РНК, ДНК и с компонентами антиоксидантной системы – каталазой, глутатионпероксидазой, тиоредоксином, супероксилдисмутазой [12].

Под влиянием глубокой длительной гипоксии в плазме крови накапливаются в необычно высоких концентрациях биологически активные вещества: катехоламины, гистамин, серотонин, брадикинин. В таких концентрациях они вызывают многие патологические процессы: нарушают микроциркуляцию, увеличивают сосудистую проницаемость, вызывают нарушение обмена веществ.

Известно, что в любой популяции животных имеются особи с различной резистентностью к кислородной недостаточности [7]. Эта особенность определяется генетическими и фенотипическими свойствами организма: характером его метаболизма, степенью совершенства регуляторных механизмов, их способностью перестраиваться в гипоксических условиях в целях сохранения жизнеспособности особи и т.п.[7]. Кроме того, устойчивость к гипоксии, по-видимому, имеет половые различия: среди самок чаще встречаются особи, значительно превышающие по резистентности самцов. Индивидуальные различия в реакции на гипоксию, оцениваемые по изменению их функциональной активности, сохраняются на тканевом и клеточном уровнях. В то же время, биохимические данные свидетельствуют о том, что гипоксия является не столько патологическим процессом, а скорее всего фактором перестройки метаболизма на более низкий уровень обмена, с чем связано повышение эффективности механизмов, направленных на уравновешивание процессов синтеза и распада веществ.

Некоторые исследователи полагают, что при гипоксии реализуется 2 вида клеточных защитных механизмов: первые – это механизмы, обеспечивающие безопасность снижения содержания кислорода в разных тканях, когда происходит приспособление к метаболизму при низком содержании АТФ. Они включают блокирование многих ион-транспортных АТФаз и АТФ-зависимых каналов, приостановку синтеза наименее важных белков за счет прекращения их трансляции и ряд других изменений. В отличие от чувствительных к гипоксии клеток, где эти изменения необратимы, в клетках некоторых животных (например, черепах) в условиях длительного кислородного голодания включается другая система защиты, связанная с возобновлением синтеза белков. Но в этом случае синтезируются, в основном, специфические белки, регулирующие клеточный метаболизм таким образом, что его скорость снижается параллельно со снижением потребности клеток в кислороде [19].

Таким образом, гипоксия оказывает повреждающее действие на клетки мышц и печени. При кислородной недостаточности в этих тканях происходят изменения в углеводном и белковом обменах, а также в липидном.