Энергетический обмен и старение организма. Гликолитическое фосфорилирование

Наталья 14 Апреля в 0:00 369 0


Энергетический обмен и старение организма. Гликолитическое фосфорилирование

Возрастные особенности гликолитического фосфорилирования

Образование аденозинтрифосфата в реакциях гликолитического фосфорилирования происходит в цитозоле в процессе распада глюкозы (гликолиз) или гликогена (гликогенолиз) до пирувата или лактата и не требует обязательного участия кислорода.

Несмотря на сравнительно малую энергетическую эффективность этого этапа превращения углеводов (баланс составляет соответственно 2 и 3 молекулы аденозинтрифосфата (АТФ)), он играет исключительно важную роль в качестве основного источника энергии в условиях дефицита кислорода.

В литературе встречаются немногочисленные и противоречивые данные о скорости гликолитического фосфорилирования на поздних этапах онтогенеза (Ross, Ely, 1954; Barrows et al., 1958; Angelova-Gateva, 1969).

Возрастные различия скорости гликолиза (гликогенолиза) в значительной степени определяются их ролью в энергетическом обеспечении органов и тканей, метаболическими и функциональными особенностями последних.

В скелетной мышце и мозге изменения скорости гликолитического фосфорилирования с возрастом не обнаруживаются (Литошенко, 1972; Потапенко, 1972). Однако в процессе мышечной работы в скелетной мышце старых крыс происходит сравнительно более выраженное по сравнению со взрослыми животными усиление гликолиза (Литошенко, 1972). Что же касается печени, то имеющиеся данные настолько противоречивы, что не позволяют сделать определенного заключения.

Вместе с тем в печени в старости значительно (почти в 2 раза) повышается активность лимитирующего фермента гликолиза — гексокиназы (Литошенко, 1977а). Это отражает повышение включения углеводов (глюкозы) в метаболизм печеночной ткани и свидетельствует об увеличении доли гликолитического фосфорилирования в энергообеспечении функции печени при старении.

Возрастание роли гликолиза в системе обеспечения энергией мышечной стенки сосудов на фоне низкой активности окислительных процессов показано Кирком (Кirk, 1959). Интересный факт установили Вертхеймер и Бен-Тор (Wertheimer, Ben-Tor, 1961). Они показали, что сыворотка старых крыс в отличие от сыворотки молодых ускоряла анаэробное образование лактата тканью аорты.

Наиболее выраженные изменения обнаруживаются с возрастом в сердечной мышце (Богацкая, 1964). Интенсивность гликолиза, выражаемая величиной прироста лактата, в миокарде при старении значительно возрастает: с 772 + 15 мкг/г (8.57 + 0.166 мкмоль/г) у 8—12-месячных крыс до 1037 + 17 мкг/г (11.51 + 0.189 мкмоль/г) у 28—32-месячных.

Еще больше повышается скорость гликогенолиза: соответственно с 828 + 15 мкг/г (9.19 + 0.211 мкмоль/г) до 1499 + 24 мкг/г (16.64 + 0.266 мкмоль/г). Усилению гликолиза и гликогенолиза в сердце старых животных хорошо соответствует увеличение в нем гексокиназной и фосфорилазной активности, а также активности фосфофруктокиназы (Фролькис, Богацкая, 1965), являющейся лимитирующим регуляторным звеном гликогенолиза.

Приведенные результаты, свидетельствующие о повышении в старости использования углеводов в процессах гликолиза (гликогенолиза), хорошо согласуются с данными о значительном снижении способности старых животных к утилизации для образования энергии жиров и белков (Пашкова, Попова, 1970; Finch, Hayfiick, 1977).

Вместе с тем в связи с малой энергетической эффективностью гликолитического фосфорилирования усиление последнего сопровождается значительным расходованием углеводов. В результате в тканях уменьшается содержание запасного углевода — гликогена и накапливаются недоокисленные продукты гликолитического этапа их превращений — пируват и лактат (Богацкая, 1964; Богацкая, Вержиковская, 1965; Головченко, Потапенко, 1978).

Увеличению концентрации последних способствует и угнетение при старении их окислительных превращений, что создает угрозу сдвига рН, окислительно-восстановительного потенциала тканей и тем самым глубоких нарушений метаболизма и функции. В то же время с возрастом усиливается использование лактата b продуктов превращения ряда аминокислот в процессе глюконеогенеза.

Подобная направленность метаболизма несомненно имеет приспособительное значение, так как препятствует накоплению лактата и способствует поддержанию концентрации углеводов в тканях при старении. Однако это не может компенсировать уменьшения в старости концентрации гликогена в тканях, связанного со снижением его синтеза и усиленным расходованием.

С возрастом в мышце, сердце, печени изменяется соотношение пируват/лактат, что в значительной степени связано с возрастными изменениями активности и изоферментного спектра ЛДГ (Богацкая, Литошенко, 1975).

Содержание и обмен аденозинфосфатов и креатинфосфата

Наиболее общий показатель энергетической обеспеченности тканей — содержание в них аденозинтрифосфата. Однако концентрация его в клетках невелика и может пополняться за счет другого макроэргического соединения — креатинфосфата (КФ), которому в последнее время придают значение не только в запасании, но и в транспорте энергии в клетке (Чазов и др., 1976).

При старении обнаруживается снижение концентрации АТФ и особенно КФ в различных тканях (Никитин, Иваненко, 1962; Богацкая, 1964; Фролькис, Эпштейн, 1966; Ermini, Verzar, 1968). Степень выраженности происходящих в старости изменений определяется метаболическими и функциональными особенностями тканей (табл. 21).

Таблица 21. Содержание аденозинфосфатов и обновляемость АТФ в тканях крыс разного возраста
Содержание аденозинфосфатов и обновляемость АТФ в тканях крыс разного возраста

Наряду со снижением концентрации аденозинтрифосфата в старости изменяетсй и содержание продуктов ее дефосфорилирования — аденозиндифосфат (АДФ), аденозинмонофосфат (АМФ), а также неорганического фосфора. В скелетной мышце и сердце старых животных одновременно с уменьшением количества значительно снижается скорость обновляемости АТФ, которая характеризует интенсивность энергетического обмена.



В старости происходят сдвиги и в процессе гидролиза аденозинтрифосфата, катализируемого различными АТФ-азами. При старении повышается АТФ-азная активность миозина скелетных мышц (Хилько, 1965), митохондриальной и миофибриллярно-ядерной фракций сердца (Богацкая, 1968). Наблюдается также увеличение АТФ-азной активности митохондрий летательной мышцы старых мух (Bulos et al., 1975).

Однако накопившиеся к настоящему времени данные о возрастных изменениях активности АТФ-аз настолько скудны, что не позволяют сделать определенного вывода о состоянии механизмов использования аденозинтрифосфата в старости.

В сердце и скелетной мышце при старении падают, причем в большей степени, чем АТФ, содержание и скорость обновления КФ (Фролькис и др., 1966; Разумович, 1972). Так, в сердечной мышце старых крыс количество КФ падает почти вдвое: с 75.4 + 1.3 мкг/г (357 + 6 нмоль/кг у 8—12-месячных крыс до 39 + 2.7 мкг/г (185 + 12 нмоль/кг) у 28—32-месячных (Фролькис, Богацкая, 1965). Это согласуется с данными о замедлении процессов ресинтеза КФ в скелетных мышцах старых крыс (Ermini, Verzar, 1968).

Относительно менее выраженные сдвиги уровня аденозинтрифосфата при старении могут быть связаны с его исключительной ролью в качестве универсального источника энергии и регулятора клеточного метаболизма, в связи с чем для поддержания его постоянного уровня включаются все имеющиеся в клетке приспособительные механизмы, и прежде всего — используются запасы КФ.

Однако это снижает диапазон адаптации энергетического обмена к изменяющимся условиям функционирования клеток и тканей, потребности которых в энергии лежат в основе регуляции энергетического метаболизма.

Таблица 22. Отношение АТФ/АДФ и энергетический заряд Аткинсона (Atkinson, 1968) в тканях крыс разного возраста (рассчитано по данным табл. 21)
Отношение АТФ/АДФ и энергетический заряд Аткинсона (Atkinson, 1968) в тканях крыс разного возраста

Относительные концентрации аденозинтрифосфата, аденозиндифосфат и АМФ контролируют не только скорости гликолиза и дыхания, но практически все процессы, в которых генерируется или расходуется энергия макроэргических фосфатных связей. При старении изменяется отношение АТФ/АДФ (табл. 22). В печени и мозге возрастные сдвиги выражены незначительно, а в сердечной мышце отмечается значительное снижение этого коэффициента.

Складывающиеся соотношения объясняют активацию гликолиза в сердце старых крыс и отсутствие подобных изменений в ткани мозга.

Об энергетическом состоянии клетки в целом и о направленности ее энергетического обмена может свидетельствовать величина энергетического заряда Аткинсона, расчитываемая по формуле:

1/2 * ([АДФ] + 2[АТФ]) / ([АМФ] + [АДФ] + [АТФ])

При условии равенства скоростей синтеза и гидролиза аденозинтрифосфата заряд системы аденозинфосфатов равняется приблизительно 0.85. Чем меньше эта величина, тем больше активируются процессы образования и тормозятся процессы использования АТФ, и наоборот.

Как видно из данных, приведенных в табл. 22, в сердце и печени взрослых животных определяется некоторое уменьшение величины энергетического заряда, что свидетельствует уже о напряженности у них процессов генерирования аденозинтрифосфата. Вероятно, в физиологических условиях такая ситуация встречается чаще всего, поскольку функционирование клеток требует постоянных энергетических затрат.

Поэтому ведущим регуляторным фактором в энергетическом обмене является использование АТФ. При старении величина энергетического заряда уменьшается, что особенно четко выявляется в сердце и печени, тогда как в мозге она достаточно высокая и у старых животных. Эти различия связаны с функциональными особенностями тканей.

Таким образом, в старости вследствие увеличения диспропорции между процессами, потребляющими энергию, и процессами, генерирующими аденозинтрифосфат, развивается напряженность энергетического обмена. Эта напряженность, интегральным показателем которой является снижение величины энергетического заряда, детерминирует механизмы адаптационного характера, проявляющиеся на различных уровнях регуляции энергетического метаболизма.

Однако наблюдаемые при старении интенсификация гликолитического фосфорилирования, увеличение сопряженности дыхания с фосфорилированием, повышение активности целого ряда ферментов гликолиза и цикла Кребса, т. е. адаптационные сдвиги, направленные на увеличение энергетического заряда клеток старого организма, не приводят в итоге к увеличению энергетического обеспечения функций клеток и тканей.

Свидетельством тому являются снижение содержания и скорости ресинтеза АТФ, а также КФ в тканях старого организма. Итак, в старости уже в обычных условиях жизнедеятельности организма мобилизованы резервы усиления энергетических процессов и использованы возможности приспособления энергетики к постоянно меняющимся условиям существования. В конечном итоге это приводит к нарастанию с возрастом нарушений энергетического обмена и может служить одной из причин снижения обмена и функции при старении.

Н.И. Аринчин, И.А. Аршавский, Г.Д. Бердышев, Н.С. Верхратский, В.М. Дильман, А.И. Зотин, Н.Б. Маньковский, В.Н. Никитин, Б.В. Пугач, В.В. Фролькис, Д.Ф. Чеботарев, Н.М. Эмануэль
Похожие статьи
показать еще
Prev Next