Регуляторная роль пируваткиназы

Важную роль в регуляции гликолитического пути играет пируваткиназа, которая катализирует третью необратимую реакцию гликолиза – реакцию образования пировиноградной кислоты из фосфоенолпирувата с одновременным переносом активированного фосфорильного остатка на ADP:

Однако, не смотря на регуляторную роль данного фермента, пируваткиназу подобно гексокиназе следует рассматривать как вторичное место регуляции гликолиза. Этот фермент настолько сильно ингибируется физиологическими концентрациями АТР, что его потенциально полная активность никогда не реализуется в клетке.

Один из обнаруженных в печени изоферментов пируваткиназы активируется в присутствии фруктозо-1,6-дифосфата. Фермент печени подвергается также ковалентной модификации, активируясь при дефосфорилировании и утрачивая активность в фосфорилированном состоянии. Инактивация пе-

ченочной перуваткиназы происходит при фосфорилировании под действием протеинкиназы, зависящей от с-АМР.

Хорошо известно, что в зрелых эритроцитах вся потребность в АТР удовлетворяется исключительно за счет гликолиза. В эритроцитах АТР необходим для функционирования ионных насосов, в особенности для функционирования Na+,K+-ATP-азы, которая обеспечивает поддержание физиологической формы двояковогнутых дисков этих клеток. Это означает, что при недостатке АТР эритроциты склонны к набуханию и лизису. Анемия, обусловленная избыточным разрушением эритроцитов, получила название гемоли-

тической анемии.

Дефекты или отсутствие пируваткиназы является достаточно редким, но, в значительной степени, наиболее общим генетическим дефектом гликолиза. У большинства пациентов уровень активности пируваткиназы составляет 5-25% от нормального уровня фермента в эритроцитах, что приводит к существенному снижению концентрации АТР в этих клетках. Вполне объяснимо, что при дефиците пируваткиназы, в эритроцитах накапливаются интермедиаты, предшествующие пируваткиназной стадии гликолиза, в то время как уровень пирувата и молочной кислоты понижается. Характерной особенностью гемолитической анемиии, обусловленной дефектами пируваткиназы, является нормальный уровень АТР в ретикулоцитах пациентов, страдающих от данного заболевания. Ретикулоциты, несмотря на дефицит пируваткиназы,

45

поддерживают концентрацию АТР на нормальном уровне за счет присутствия митохондрий. Однако созревание ретикулоцитов приводит к утрате эритроцитами митохондрий и появлению зависимости от гликолитического пути генерации АТР. Поскольку гликолиз в зрелых эритроцитах блокирован, красные кровяные клетки быстро выводятся из кровотока. Анемическое состояние наступает вследствие того, что скорость разрушения эритроцитов превосходит скорость процесса эритропоэза (Valentine W.N., The Stratton lecture: Hemolytic anemia and inborn errors of metabolism, Blood, 1979, 54, 549559).

Регуляция активности фосфофруктокиназы внутриклеточным рН

Ключевым ферментом гликолитического пути расщепления глюкозы является, как известно, фосфофруктокиназа, которая катализирует реакцию превращения фруктозо-6-фосфата во фруктозо-1,6-дифосфат. Данная необратимая реакция представляет собой лимитирующую стадию всего процесса гликолитического распада глюкозы.

Принимая во внимание, что истинным конечным продуктом гликолиза является молочная кислота, было бы естественным предположить, что именно лактат может оказывать ингибирующее действие на лимитирующую стадию всего процесса по принципу обратной связи. Однако это не так. Было обнаружено, что в действительности другой конечный продукт гликолиза – ионы водорода, образующиеся вследствие диссоциации карбоксильной группы молочной кислоты, являются тем фактором, который оказывает ингибирующее действие на фосфофруктокиназу.

Образующийся в ходе гликолитического расщепления глюкозы лактат должен постоянно удаляться клеткой для того, чтобы обеспечить дальнейшее протекание гликолиза. Приведенная выше реакция объясняет почему, интенсивно протекающий гликолиз, который завершается образованием молочной кислоты, может приводить к снижению значения рН крови, что сопровождается клиническим проявлением, называемым молочнокислым ацидозом.

Данная медицинская проблема характеризуется повышением уровня молочной кислоты в крови, обычно до значений, превышающих 5 mM и одновременным снижением рН крови и концентрации бикарбоната:

46

Регуляцию эффективности протекания гликолиза в зависимости от интенсивности утилизации молочной кислоты иллюстрирует схема на рис. 4.1.

Рис. 4.1 Если образующийся в ходе гликолиза лактат не удаляется из клетки, внутриклеточный рН понижается вследствие накопления лактата. Низкое значение рН ингибирует фосфофруктокиназу так, что дальнейшее образование лактата в ходе гликоза резко снижается. В случае недостаточного кровоснабжения отток лактата- и Н+ становится малоэффективным, но ингибирование фосфофруктокиназы не происходит вследствие низкого энергетического заряда клетки.

Молочнокислый ацидоз является наиболее часто встречающейся формой метаболических ацидозов и может быть следствием либо избыточного образования молочной кислоты, либо сниженной способности клеток печени утилизировать лактат, либо зависеть от обеих причин. В норме образование молочной кислоты так сбалансировано ее утилизацией, что концентрация данного метаболита в крови не превышает 1.2 mM. Все ткани организма способны генерировать лактат в анаэробных условиях, однако, большинство тканей не продуцируют больших количеств молочной кислоты, а направляют образующийся в гликолизе пируват в митохондрии для полного окисления глюкозы. Исключение составляют интенсивно работающие скелетные мышцы, которые в анаэробных условиях могут продуцировать достаточно большие количества молочной кислоты. Однако при нехватке кислорода клетки других тканей определенную часть пирувата также могут расходовать на образование молочной кислоты. Снижение интенсивности потока пирувата в митохондрии вызывает уменьшение уровня АТР в клетке, что, в конечном счете, приводит к увеличению активности фосфофруктокиназы. В создающихся условиях потребности клетки в АТР должны восполняться за счет

47

гликолиза, а это, в свою очередь, стимулирует дополнительное образование лактата (рис. 4.1).

В целом же гипоксия тканей, вызывающая повышенное образование лактата, может наблюдаться при всех формах шока, при конвульсиях, при нарушениях кровообращения и легочной недостаточности.

Основные пути утилизации лактата в организме связаны либо с полным окислением этого соединения до СО2 и Н2О, либо с превращением молочной кислоты в глюкозу в процессе глюконеогенеза. Оба пути зависят от присутствия кислорода. Отсюда следует, что состояние гипоксии обеспечивает продукцию и накопление лактата и снижает его утилизацию (рис. 4.1). Использование лактата клетками и тканями снижается при заболеваниях печени, при хроническом употреблении алкоголя или приеме некоторых лекарственных препаратов. В частности, известный препарат фенформин, исполь-

зовавшийся для лечения инсулин-независимой гипергликемии, как было показано, вызывает у некоторых пациентов молочнокислый ацидоз.

Попытки контролировать ацидозы, вызванные накоплением молочной кислоты, посредством введения бикарбоната оказались недостаточно эффективными. Ключом к успешному лечению может быть только выяснение причин ацидоза и их устранение. Наиболее эффективным способом терапии данного состояния, пожалуй, следует считать оксигенотерапию (Kruse J.A., Carlson R.W., Lactate metabolism, Crit. Care Clin., 1985, 3, 725-734).

Плазматические мембраны клеток имеют специфический переносчик, предназначенный для совместного транспорта лактата¯ и Н+ (рис. 4.1) за пределы клетки. Данный переносчик обеспечивает выброс избытка молочной кислоты в кровяное русло. Эта способность клеток транспортировать молочную кислоту в кровь представляет собой важный защитный механизм, оберегающий клетку от закисления.

Чувствительность фосфофруктокиназы к изменению концентрации ионов водорода в цитоплазме клетки также является частью этого механизма.

Ионы водорода, ингибируя фосфофруктокиназу, «выключают» гликолиз ответственный за снижение рН в клетке. Необходимо учитывать то обстоя-

тельство, что для эффективного удаления лактата из клеток с помощью переносчиков, определенные группы таких клеток должны хорошо кровоснабжаться. Если же кровоснабжение этих клеток недостаточно эффективно, как, например, при тяжелой физической нагрузке на скелетные мышцы или во время приступа angina pectoris в случае сердечной мышцы, отток Н+ не может происходить с достаточной скоростью. С другой стороны, недостаток АТР в таких клетках, возникающий вследствие нехватки кислорода из-за недостаточного кровоснабжения, может частично снимать ингибирование фосфофруктокиназы ионами водорода (Н+), что, в свою очередь, обеспечивает увеличение интенсивности протекания гликолиза и, как следствие, дополнительное образование лактата¯ и Н+.

48

Непрерывное накопление Н+ приводит к появлению сильных болей, которые в случае скелетных мышц легко снимаются в результате прекращения нагрузки. В случае же сердечной мышцы наиболее эффективными средствами являются отдых или использование лекарственных препаратов, которые либо увеличивают кровоснабжение миокарда, либо понижают потребность миоцитов в АТР.

Боли в грудной клетке, связанные с преходящей ишемией миокарда,

называют angina pectoris (буквально, состояние при котором тяжело ды-

шать). Боли являются результатом несоответствия потребностей и реального кровоснабжения сердечной мышцы и чаще всего являются результатом сужения коронарных сосудов.

Пациенты испытывают сильное повышение кровяного давления или боль в подгрудинной области, часто отдающую в плечо и руку или, реже, в шею и челюсть. Приступы возникают при напряжении, длятся от 1 до 15 минут и облегчение данного состояния достигается в результате отдыха.

Чаще всего причиной приступов является атеросклероз коронарных артерий или, реже, спазмы сосудов. Инфаркт миокарда наступает в тех случаях, когда ишемическое состояние длится достаточно долго и вызывает сильные повреждения (некроз) клеток сердечной мышцы. При инфаркте, как правило, кровь образует в месте сужения сосуда тромб, который полностью закупоривает сосуд. В этом случае присходит гибель определенной части миоцитов, что и сопровождается сильными более длительными болями.

Для облегчения состояния пациентов часто применяют нитроглицерин и другие нитраты. Эти лекарственные средства используются также в профилактических целях, позволяя пациентам вести активный образ жизни и отдалить следующий приступ angina pectoris. Нитроглицерин вызывает диляцию коронарных сосудов, улучшая тем самым кислородный обмен в миокарде и удаляя из миоцитов молочную кислоту. Вероятно даже более важным эффектом нитроглицерина и других нитратов является улучшение периферического кровообращения. Нитраты расслабляют гладкую мускулатуру, вызывая венодиляцию во всем организме. Это снижает артериальное давление и обеспечивает уменьшение скорости движения крови в венах. В результате объем крови, проходящий через сердце, уменьшается и, следовательно, уменьшаются при этом также энергетические потребности сердечной мышцы. Вдобавок сниженное наполнение сердца также сберегает энергетические ресурсы клеток миокарда.

Другими важными лекарственными средствами являются блокаторы кальциевых каналов, которые вызывают вазодиляцию коронарных сосудов, а также β-адренергические блокаторы. β-Блокаторы предотвращают увеличение потребности миокарда в кислороде, индуцируемое стимуляцией симпатической нервной системы сердца при физической нагрузке.

В тяжелых случаях angina pectoris, которые уже невозможно контролировать медикаментозными средствами, приходится прибегать к операции

49