Значення вузлових ділянок метаболічних шляхів для формування природної стійкості особин до гострої гіпоксичної гіпоксії

СЕМІНАР №5

2. Адаптивна роль процесів гліколізу у стійкості організму до гіпоксичної гіпоксії

Енергетичний обмін займає одне з центральних місць в метаболізмі клітини. Саме енергетичний метаболізм може виступати як вирішальний фактор, який визначає напрям і характер різноманітних фізіологічних процесів та окремих ланок внутрішньоклітинного обміну.

Першим механізмом забезпечення протобіонтів енергією в безкисневій атмосфері Землі був гліколіз. В процесі гліколізу органічні речовини розкладаються на більш прості сполуки, які виводяться назовні. При цьому утворюється енергія, необхідна для функціональної діяльності мікроорганізмів. В такому варіанті процеси гліколізу збереглись у облігатних мікроорганізмів.

Близько двох мільйонів років тому відбулась зміна земної атмосфери – вона стала кисневою. Зі зміною атмосфери змінився й обмін речовин - анаеробний обмін змінився на аеробний.

Гліколіз - перший етап розкладання глюкози до молочної кислоти в процесі тканинного дихання, після якого настає окиснення проміжних продуктів. Гліколіз складається з послідовних багатоступеневих ферментативних реакцій. Як перший етап дихання, він є основним життєво необхідним енергетичним процесом, який властивий для кожної клітини, тканини, органу. Під час цих процесів в клітині накопичується енергія у формі макроергічних фосфатів, які є доступними для використання клітиною.

Використання клітиною анаеробного механізму забезпечення енергією робить її незалежною від постачання киснем і, можливо, менш чутливою до різноманітних пошкоджуючих факторів.

Крім анаеробного розкладання глюкози з утворенням енергії для діяльності клітини існує аеробний гліколіз, який проходить в присутності кисню. Аеробний процес менш інтенсивний, ніж анаеробний, оскільки кисень гальмує активність процесу. Цей феномем – прямий ефект Пастера, властивий для більшості тканин в нормальних фізіологічних умовах.

В умовах патології, при гострій гіпоксії, при старінні, отруєнні отрутами, в злоякісних пухлинах порушується співвідношення між аеробним і анаеробним процесами в клітині. В таких умовах аеробний гліколіз починає переважати над анаеробним.

Особлива роль анаеробних процесів в тканинах виявляється в умовах кисневої нестачі, коли організм мобілізує всі можливі шляхи при отриманні багатих енергією макроергічних фосфатів. Можливість використання економічно малоефективного процесу гліколізу в ролі резервного механізму і забезпечує переживання клітини в екстремальних умовах існування.

Крім вираженої енергетичної цінності для організму, процеси анаеробного гліколізу в еритроцитах людини, більшості ссавців, птахів, риб, амфібій відіграють важливу роль в киснево-транспортній функції гемоглобіну. Цей зв'язок реалізується через 2,3 – дифосфогліцерат (ДФГ) і АТФ – основні компоненти енергетичного обміну еритроцитів і здатні приєднатись до гемоглобіну, знижуючи при цьому його спорідненість до кисню.

2,3 – дифосфогліцерат має особливе значення, оскільки він володіє найбільшою активністю дії і в високій концентрації (5мкмоль/л) міститься лише в еритроцитах. Відіграє центральну роль в метаболізмі еритроцитів.

Підвищення концентрації 2,3 – дифосфогліцерату в еритроцитах зменшує спорідненість гемоглобіну до кисню. Теоретично це означає, що ускладнюється насичення гемоглобіну киснем і полегшується віддача кисню.

Адаптація до гіпоксії в горах пов'язана зі збільшенням концентрації ДФГ в еритроцитах, зі зниженням спорідненості гемоглобіну до кисню. У людей при акліматизації до гіпоксії спостерігається індивідуальна варіабельність вмісту 2,3 – ДФГ в еритроцитах.

3. Особливості процесів окиснення і гліколізу в тканинах мозку, міокарду, скелетного м'язу.

Основні шляхи вивільнення та використання енергії універсальні. Однак нервові клітини, м'язові та міокардіальні волокна мають суттєві відмінності в багатьох механізмах перетворення енергії та регулювання енергетичних процесів.

Міокард може існувати за рахунок процесів окиснення, які відбуваються в мітохондріях. В головному мозку гліколіз і ЦТК – два незалежних процеси, але вони часто проходять синхронно, тому кінцевий продукт гліколізу – молочна кислота – в анаеробних умовах може піддаватись окисненню в ЦТК.

Скелетні м’язи вищих тварин містять два типи скоротливих волокон: червоні волокна, які отримують енергію переважно за рахунок окисних реакцій ЦТК і мають здатність до менш потужних, але більш тривалих навантажень, і білі волокна, які отримують енергію за рахунок гліколізу, тому здатні до більш потужних, але менш тривалих навантажень.

Серце, нирки, скелетні м’язи потребують глюкозу, але особливо вона необхідна нервовим клітинам.

Наприклад, головний мозок, маса якого становить лише 2% від маси тіла, використовує 20% глюкози, яка надходить у кров. Глюкоза у вигляді резервного вуглеводу – глікогену відкладається в незначній кількості в клітинах головного мозку. Глікоген в головному мозку не інертна речовина, незважаючи на його низький вміст, глікоген відіграє важливу роль у вуглеводному обміні мозку.

Головний мозок найбільш чутливий до нестачі кисню. Використання кисню мозком в 20 разів більше, ніж м’язу в стані спокою. Головний мозок використовує 1/5 частину всього кисню, який міститься в крові, і 25% цієї кількості йде лише на окиснення глюкози. Ось чому нестача кисню в повітрі в першу чергу викликає гіпоксію мозку, що одразу ж порушує енергетичні процеси в тканинах.

Інша особливість обміну мозку – мітохондрії нервової тканини можуть здійснювати як гліколіз, так і окиснення, на відміну від мітохондрій нирок і печінки.

Ще одна особливість обміну речовин в мозку: в нервових клітинах 40% загальної енергії, яка отримується при окисному фосфорилюванні і під час гліколізу, йде на потреби активного транспорту глюкози, тоді як в еритроцитах ця кількість становить лише 12%.

В тканині міокарду і в скелетних м’язах процеси метаболізму також мають ряд особливостей. Основною особливістю метаболізму міокарду є високий рівень використання кисню порівняно з іншими тканинами. Дуже важлива здатність міокарду використовувати в процесі утворення енергії різні субстрати окиснення (глюкоза, молочна кислота, ПВК, жирні кислоти). Міокард не лише поглинає молочну кислоту, але й використовує її в якості субстратів окиснення. Це є характерною особливістю серцевого м’язу на відміну від скелетного, який при роботі не використовує, а віддає молочну кислоту в кров. Використання лактату міокардом залежить від вмісту молочної кислоти і глюкози в крові, від скоротливої активності міокарду, від постачання серця киснем і від швидкості коронарного кровообігу.

4. Міжвидові особливості гліколітичного шляху вивільнення енергії в умовах нестачі кисню.

Відомо, що різні види тварин володіють неоднаковою стійкістю до гіпоксичної гіпоксії.

З метою з’ясування фізіологічних механізмів, які зумовлюють видову стійкість до гіпоксії гетеротермних та гомойотермних гризунів, вивчали активність аеробного та анаеробного гліколізу в тканинах двох різних видів гризунів – гетеротермних крапчастих ховрахів в стані нормотермії порівняно з гомотермними білими крисами лінії Вістар як в умовах гострої як в умовах гострої гіпоксичної гіпоксії, так і після впливу тривалої гіпоксії.

Встановлено, що вміст молочної кислоти та інтенсивність анаеробного гліколізу мозку ховрахів в умовах нормоксії вище, ніж у крис. У окремих крис спостерігалось виражене порушення дихальної та кардіоваскулярної систем, тварини гинули починають вже з «висоти» 9-10 тис.м., хоча більша частина витримує розрідження до 12-12,5тис.м. Ховрахи виявились більш стійкими до гострої гіпоксії, в частині дослідів смерть настала лише при розрідженні, еквівалентному висоті 11 тис.м., а більшість з них витримувало розрідження до 13 тис.м. і в окремих випадках до 13,5тис.м. протягом 5-10хв.

Значне накопичення молочної кислоти в тканинах мозку та скелетних м’язів гризунів спостерігалось в умовах гострої гіпоксичної гіпоксії. Накопичення лактату пов’язане з порушенням в цих умовах його подальшого окиснення внаслідок значного послаблення інтенсивності тканинного дихання, або зі зменшенням або відсутністю його використання для ресинтезу глікогену.

Інтенсивність анаеробного гліколізу як в тканинах мозку, так і в скелетних м’язах гризунів в умовах гострої гіпоксії змінилась несуттєво. Проте інтенсивність гліколізу залишалась на досить високому рівні, що вказує на чітко виражену можливість анаеробного розкладання вуглеводів.

При вивченні інтенсивності анаеробного гліколізу біли помічені міжвидові відмінності. В тканині великих півкуль головного мозку крис після двогодинної експозиції на граничній «висоті» 10-12,5тис.м. було встановлено достовірне його підвищення порівняно з контрольними тваринами, а у ховрахів в аналогічних умовах досліду подібних змін аеробного гліколізу не було встановлено.

В умовах цілодобового перебування гризунів в барокамері на «висоті» 6 тис.м. протягом тижня, а також під впливом двотижневої перервної гіпоксії (перебування на «висоті» 7,5-8,5тис.м. по 6год на добу) вченні помітили такі видові відмінності у вмісті молочної кислоти. У крис тривале перебування в умовах гіпоксії призвело до незначного підвищення вмісту молочної кислоти в тканині мозку, а у ховрахів мало місце зниження її рівня в нервовій тканині та скелетних м’язах.

Проведені досліди показали, що підвищена стійкість ховрахів до гіпоксії пов’язана з екологічними особливостями видів, які вивчались. Ховрахи характеризуються непостійним рівнем метаболізму.

Підвищена здатність серця гетеротермних гризунів використовувати анаеробний гліколіз в умовах гіпоксії забезпечує їх видову стійкість до гіпоксії.

Таким чином, вирішальне значення природної резистентності ховрахів до гіпоксії має значення давніх тканинних факторів адаптації, а саме підвищеної здатності серця ховрахів використовувати анаеробний гліколіз з наступною активацією його функцій під час аноксії.

5. Внутрішньовидові варіації процесу гліколізу при гіпоксичній гіпоксії

В.А.Березовський під час своїх дослідів показав, що існують внутрішньовидові варіації інтенсивності захисних реакцій та індивідуальної стійкості до нестачі кисню, які зумовлені певними гено- і фенотиповими особливостями кожного організму.

З метою виявлення більш виражених особливостей окремих ланок анаеробного обміну тканин груп крис з різноманітною стійкістю до гіпоксії досліджували:

1) в умовах нормального атмосферного тиску;

2) після двомісячної ступеневої адаптації до високогірного клімату на «висоті» 2,2-4,2тис.м.;

3) через 5хв після впливу гострої гіпоксичної гіпоксії;

4) через 5хв після впливу гострої гіпоксичної гіпоксії: одноразовий «підйом» в барокамері на «висоту» 12тис.м.

Проведені при нормальному атмосферному тиску на ВГ – та НГ – крисах досліди дали можливість виявити деякі відмінності між групами гризунів, яких досліджували.

Вміст молочної кислоти в міокарді ВГ - крис було на 26,4% вище, ніж в міокарді НГ - крис, а в тканинах мозку такі відмінності були відсутні. При дослідженні загальної інтенсивності анаеробного гліколізу у великих півкулях головного мозку ВГ - крис була виявлена тенденція до її наростання порівняно з аналогічною тканиною НГ - крис. В міокарді відмінності статистично недостовірні.

Після двомісячної ступеневої адаптації крис до високогірних умов відмічено значне нагромадження вмісту молочної кислоти в міокарді та в півкулях головного мозку ВГ - і НГ – крис порівняно з вихідними. Загальна інтенсивність анаеробного гліколізу виросла також в два рази в міокарді у ВГ - і НГ – крис.

При порівнянні попередньо адаптованих в горах ВГ – і НГ–крис не було виявлено суттєвих відмінностей у вмісті молочної кислоти як в мозку, так і в міокарді. В тканинах великих півкуль мозку адаптованих в горах ВГ – крис було виявлено наростання загальної інтенсивності анаеробного гліколізу на 20,1% порівняно з аналогічними тканинами НГ – гризунів.

Адаптація до високогірного клімату у ВГ – і НГ – крис значне підвищення активності гексокінази не лише в міокарді, але й в великих півкулях головного мозку.

Активність гексокінази в певній мірі може слугувати показником енергетичного обміну в тканинах. Переважання її активності в міокарді ВГ – крис і менш виражений приріст вмісту глюкози порівняно з НГ – тваринами після впливу гострої гіпоксичної гіпоксії на межі виживання тварин дозволяє говорити про покращення утилізації глюкози клітинами міокарду, що сприяє підвищенню енергопродукції під час анаеробного перетворення вуглеводів.

Дефіцит кисню у вдихуваному повітрі чинить вплив на окремі ланки анаеробного гліколізу в тканинах. Напрям і ступінь зміни цих процесів залежать від вираженості гіпоксичного впливу, особливостей метаболізму дослідних тканин та індивідуальної стійкості організму до нестачі кисню.

СЕМІНАР № 6

ЗНАЧЕННЯ ВУЗЛОВИХ ДІЛЯНОК МЕТАБОЛІЧНИХ ШЛЯХІВ ДЛЯ ФОРМУВАННЯ ПРИРОДНОЇ СТІЙКОСТІ ОСОБИН ДО ГОСТРОЇ ГІПОКСИЧНОЇ ГІПОКСІЇ

1. Структура і функції глютамінової кислоти

Глютамінова кислота відноситься до моноамінодикарбонових амінокислот, є постійною складовою тканинних білків.

Зустрічається у великих кількостях і у вільному вигляді в тканинах і рідинах організму. Найбільш високий вміст глютамінової кислоти в тканині головного мозку(120-140мг%), в серцевому м’язі – 10мг%, скелетному м’язі – 80мг%, в крові – 3,8мг% .

Відноситься до замінних амінокислот. В організмі ссавців утворюється в процесі розпаду білків і в процесі синтезу з продуктів обміну вуглеводів.

Глютамінова кислота синтезується в реакції відновного амінування α – кетоглутарової кислоти, яка є метаболітом ЦИК. Цю реакцію каталізує l-глутаматдегідрогеназа.

Глютамінова кислота інтенсивно синтезується в печінці.

Приймає участь у всіх видах обміну речовин. Найбільш відома функція глютамінової кислоти в знешкодженні аміаку. Аміак у великих концентраціях – отрута для організму. Глютамінова кислота зв’язує аміак там, де він утворюється, і перетворюється в глютамін.

Важливу роль відіграє глютамінова кислота в розщепленні амінокислот.

Разом з глюкозою глютамінова кислота виконує важливу роль енергетичного субстрату. При дезамінуванні глютамінової кислоти утворюється α – кетоглутарова кислота – компонент ЦТК, яка піддається окисненню до кінцевих продуктів – вуглекислого газу і води.

Відіграє певну роль в регуляції обміну калія. Клітини нервової тканини можуть підтримувати високу концентрацію калію в тому випадку, якщо в оточуючому середовищі є глютамінова кислота.

2. Антигіпоксичний вплив глютамінової кислоти

Встановлено, що гіпоксія зменшує вміст глютамінової кислоти в корі головного мозку. Вчені пояснюють це явище пригніченням синтезу глютамінової кислоти із-за нестачі активного функціонування при гіпоксії ЦТК, вважаючи що основною функцією глутамата є знешкодження аміаку.

Глютамінова кислота давно широко використовується в клініках як один з засобів терапії гіпоксичних станів. Сприятливий вплив глютамінової кислоти при гіпоксіях пояснюють з точки зору аміаку. Глутамат підвищував використання кисню тканинами, нормалізував основний обмін, посилював еритропоез, функцію наднирників, підвищував активність глутаматдегідрогенази, цитохром – с – оксидази.

Адаптогенний вплив глютамінової кислоти по відношенню до гіпоксії пояснюється її здатністю активувати енергетичні процеси в тканиах, а також еритропоез в умовах дефіциту кисню.

3. Значення реакцій дезамінування глютамінової кислоти в формуванні природної резистентності до гіпоксії.

Окиснення глютамінової кислоти під впливом НАД – залежної глутаматдегідрогенази супроводжується відщепленням аміногрупи. В умовах гіпоксії вміст аміаку в різних тканинах збільшується в 2-5 раз.

Підкріплення ЦТК при гіпоксії відбувається за рахунок продуктів білкового обміну – амінокислот через глютамінову кислоту.

На основі цього можна пояснити підвищення концентрації сечовини в крові при гіпоксії. Сечовина, з одної сторони, впливає на розчинність білків мозку і роз приділення їх по фракціям. З іншої сторони, сечовина змінює співвідношення активності НАД – і НАД – глутаматдегідрогенази на користь останньої. Ці властивості сечовини сприяють посиленню використання продуктів білкового обміну в якості джерел енергії.

Підвищення концентрації сечовини в крові пригнічує процес знешкодження аміаку. Аміак при гіпоксії в певних підвищених концентраціях відігра позитивну роль, оскільки він нейтралізує Н⁺ - іони і виводиться з організму у вигляді амонійних солей, підвищує проникність клітинних мембран, утилізацію глюкози і кисню головним мозком і знижує трансмембранний потенціал.

Одною з умов стійкості особин до гіпоксичної гіпоксії є активне використання амінокислот в якості енергетичних джерел і більш висока «рухливість» цього виду обміну.

4. Значення реакцій трансамінування у формуванні природної стійкості до гіпоксії

Для стійких до гіпоксії особин характерне є більш інтенсивне використання глютамінової кислоти в якості джерела енергії. Але в глютамінової кислоті зосереджуються аміногрупи інших амінокислот. Тому цікавим є розгляд реакцій переамінування, в який приймає участь глютамінова кислота, особливо реакція переамінування глутамату з піруватом і глутамату з щавлево оцтовою кислотою.

Реакції переамінування активуються під впливом гіпоксії.

На основі наукових досліджень є можливість пояснити антигіпоксичний ефект екзогенної глютамінової кислоти та інтенсифікацію її перетворення під впливом гіпоксії роллю перерозподілення метаболітів. А цей перерозподіл направлений на більш економне використання кисню і на підвищення можливості надходження його в організм в процесі внутрішнього дихання.

В умовах гіпоксичної гіпоксії організм створює можливість економії кисню шляхом інгібування жирового обміну та активації механізмів транспорту кисню до тканин і перемикаючи інтенсивність реакцій ЦТК на дикарбонову його частину шляхом розподілення метаболітів на перехресті метаболічних шляхів.

Як показали дослідження, жива маса горців в середньому нижче норм рівнинних людей і це зниження відбулось за рахунок жирової і м’язової тканини менш життєво важливих ділянок тіла.

В.Б.Малкін повідомляє про підвищену схильність до висотної декомпресійної хвороби осіб з надлишковою масою тіла. Це пояснюється низьким рівнем кровопостачання жирової тканини і високою розчинністю азоту в ній.

Таким чином, можна передбачити, що для ВГ – особин характерна здатність економного використання кисню шляхом обмеження жирового обміну. Окисне дезамінування глютамінової кислоти і реакції трансамінування зміщують інтенсивність реакцій ЦТК на його дикарбонову частину. Створюючи умови для активування механізмів транспорту та використання кисню життєво важливими тканинами.

5. Утворення і функції лимонної кислоти в організмі

Лимонна кислота – метаболіт ЦТК, яка утворюється в реакції конденсації шавлевооцтової кислоти і ацетил-КоА, попередником якої є ПВК. Реакцію каталізує цитрат – син таза. Рівновага даної реакції в фізіологічних умовах зміщується в бік утворення лимонної кислоти.

Перетворення лимонної кислоти може проходити двома шляхами: в мітохондріях вона піддається окисненню в ЦТК до кінцевих продуктів СО2 і Н2О або проникає через мембрану мітохондрій в цитоплазму, де розкладається на щавлево оцтову кислоту і ацетил-КоА, який використовується в процесі синтезу ЖК.

Таким чином, лимонна кислота може сприяти синтезу ЖК, виступаючи перенощиком ацетил-КоА через мембрану мітохондрій.

6. Зміни вмісту лимонної кислоти при гіпоксії

Більшість авторів відмічають зниження вмісту лимонної кислоти під впливом дефіциту кисню. Також є дані про підвищення вмісту цитрату в тканині головного мозку в умовах гіпоксії.

Ф.Є.Путулін спостерігав, що при гіпоксії середнього ступеня тяжкості вміст лимонної кислоти зменшується лише в тканинах головного мозку. При важких формах гіпоксії концентрація лимонної кислоти знижувалсь не лише в мозку, але й в печінці.

Одною з причин зниження вмісту лимонної кислоти в тканинах є зміна напрямку використання ПВК.

Також можна думати, що цей процес зумовлений рівнем ВЖК. Пригнічення ліпідного обміну спостерігали всі дослідники. При гіпоксії виникає потреба в обмеженні ліпідів і тому що ЖК володіють властивостями поверхнево-активних речовин і порушують проникність клітинної мембрани, сприяючи лізису мембран і загибелі клітини.

7. Значення відмінностей в шляхах перетворення лимонної кислоти для формування природної стійкості до гіпоксії.

Відмінності змін вмісту лимонної кислоти в печінці та головному мозку пов’язані з роллю цитрату як перенощика та зі зміною інтенсивності обімну ліпідів. Значне зниження лимонної кислоти в печінці НГ – крис порівняно з ВГ необхідне для обмеження використання кисню на обмін депонованого жиру. У ВГ – крис не було змін вмісту лимонної кислоти в печінці. Рівень цитрату в печінці НГ – крис знижувався під впливом гіпоксії до концентрації його в печінці ВГ – крис, тобто гіпоксія згладжувала відмінності.

В залежності від стійкості особин до гіпоксії зниження концентрації лимонної кислоти в умовах дефіциту кисню може бути пов’язане з або з потребою обмеження синтезу ЖК, або з з потребою лише ліпідного складу клітинної мембрани, що є одною з умов її проникності.

8. Співвідношення інтенсивностей білкового і жирового обмінів як умова різної витривалості дефіциту кисню.

У ВГ – особин основна частина реакцій ЦТК припадає на його дикарбонову частину.

Такий стан ЦТК встановлюється, коли відбувається інтенсивне використання амінокислот в енергоутворенні та обмежується синтезом жиру. Проходження цих реакцій можливе при зниженому вмісті кисню.

Щоб бути окисненим, ЖК повинні синтезуватись в депонований жир і лише після його гідролізу утворюються ЖК, які можуть окислюватись. Цей процес потребує великої кількості кисню.

Таким чином, у ВГ – особин енергія не накопичується, а у НГ – тварин депонується у формі жиру. Середовище з дефіцитом кисню для особин з різною потребою в ньому і механізмами адаптивних реакцій є нерівноцінною, так як депонована енергія при нестачі кисню слабко реалізується. Припускають, що стійкість до гіпоксії пов’язана з інтенсивністю жировідкладень, з типом конституцій.