Пути пополнения пула метаболитов ЦТК в мозге
Источники образования ацетил-КоА. Важнейшим соединением, за счет которого постоянно пополняется пул компонентов ЦТК в большинстве тканей, служит ацетил-КоА – один из субстратов цитратсинтазной реакции. Это вещество может образовываться в целом ряде метаболических превращений. В митохондриях головного мозга основным поставщиком ацетилКоА для окисления его в ЦТК служит реакция окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты под действием пируватдегидрогеназного комплекса.
В головном мозге взрослых животных до 80–90% пирувата подвергается окислительному декарбоксилированию с последующим окислением образующегося ацетил-КоА в ЦТК. В печени в этой реакции используется не более 15–20% субстрата, но активно функционирует другой механизм ввода пировиноградной кислоты в ЦТК – карбоксилирование ее под действием пируваткарбоксилазы до щавелевоуксусной кислоты.
Важным является и то, что в митохондриях головного мозга при самых разнообразных воздействиях сохраняется доминирование пируватдегидрогеназной реакции над остальными путями метаболизма пирувата, несмотря на то, что скорость отдельных реакций обмена субстрата может меняться. Например, было показано явное преобладание окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты при таких экстремальных состояниях, резко нарушающих энергетический баланс, как гипоксия, разобщение окислительного фосфорилирования, тяжелая форма гипертиреоза.
Напротив, в митохондриях печени, сердечной и скелетных мышц, почках и других органах при изменении функционального состояния, при метаболических сдвигах разной природы преобладающим может стать любой из основных путей метаболизма пирувата. Например, в митохондриях печени в условиях интенсивного глюконеогенеза или при голодании скорость реакции карбоксилирования пирувата в 5–10 раз и более превышает скорость ПДГ-реакции.
Таким образом, окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, осуществляющее ввод этого метаболита в ЦТК, играет в головном мозге особо важную роль.
Большое значение ПДГ-реакции для метаболизма нервной ткани подтверждается также более высокой по сравнению с другими тканями чувствительностью ее к недостатку тиамина. Нарушение образования тиаминпирофосфата при В у-авитаминозе вызывает значительное угнетение окислительного декарбоксилирования пирувата, особенно резко проявляющееся в головном мозге и приводящее к нарушениям его функциональной активности.
Регуляция активности сложного мультиэнзимного пируватдегидрогеназного комплекса осуществляется несколькими путями. В настоящее время наиболее детально исследован механизм ковалентной химической модификации фермента. Этот механизм включает АТФ-зависимое фосфорилирование с помощью ПДГ-киназы, приводящее к образованию неактивного комплекса, и дефосфорилирование, катализируемое специфической фосфатазой, которое приводит, напротив, к образованию активной формы комплекса. Реакциям фосфорилирования-дефосфорилирования подвергается лишь один из компонентов ПДГкомплекса, а именно пируватдекарбоксилаза.
Фосфатазная реакция, т.е. активирование ПДГ-комплекса, стимулируется высокими концентрациями ионов Mg+, низкими – Са». Реакция фосфорилирования, т.е. инактинация ПДГ-комплекса, усиливается в присутствии высоких концентраций АТФ и ионов магния, но тормозится при возрастании уровня АДФ, который конкурирует в реакции с АТФ, т.е. важным фактором в регуляции взаимопревращений активной инеактивной форм ЦДХ-комплекса является внутримитохондриальное отношение АТФ/АДФ.
Во многих тканях это отношение сильно зависит от функционального состояния и прежде всего от типа преимущественного субстрата окисления. Например, в печени, почках, сердечной мышце при усилении окисления свободных жирных кислот резко возрастает уровень длинноцепочечных ацил КоА. Эти соединения нарушают перенос АТФ и АДФ через митохондриалъные мембраны с помощью адениннуклеотидтранслоказы, что приводит к повышению интрамитохондриального отношения АТФ/АДФ. В свою очередь, это способствует образованию неактивной фосфорилированной формы ПДГ-комплекса. Так, по данным П. Виланда и соавторов, после 24-часового голодания доля активной формы ПДГ в 2,5–5 раз снижалась во всех тканях крыс, кроме головного мозга, где она оставалась практически неизменной.
Большое значение ПДГ-реакции в обеспечении энергетического обмена в мозге, а также то, что максимальная активность ПДГ-комплекса лишь немногим выше средней скорости потока пирувата в мозге взрослого интактного животного, указывает на существование в нервной ткани тонкой и эффективной системы регуляции ПДГ-комплекса. Установлено, что доля активной дефосфорилированной формы ПДГ в мозге значительно выше, чем во многих других тканях: в мозге активная форма составляет около 70% от общей активности фермента в ткани; в сердие – 40–60, в печени, жировой ткани – около 20%.
Недавно высказана гипотеза о том, что регуляция фосфорилирования ПДГ-комплекса играет существенную роль в модуляции пластичности синапсов, поскольку обнаружена тесная корреляция между степенью фосфорилирования ПДГ и процессами тренировки и обучения.
Значительный вклад в регуляцию скорости окислительного декарбоксилирования пирувата вносят изменения концентрации конечных продуктов реакции – ацетил-КоА и НАДН, накопление которых в митохондриях ведет к торможению ПДГ-реакции Следует отметить, что действие этих факторов включает как непосредственное ингибирование фермента продуктом реакции, так и влияние НАДН и ацетил-КоА на взаимопревращения Фосбооилированной и дефосфорилированной форм ПДГ.
АцетилКоА и НАДН являются конкурентными ингибиторами фермента по отношению к свободному КоА или НАД+ соответственно. Наряду с этим оба метаболита служат положительными эффекторами ПДГ-киназы, катализирующей переход фермента в неактивную фосфорилированную форму.
Относительная роль этих факторов в регуляции ПДГ-реак-ции в мозге неодинакова. Концентрация НАДН, а точнее – отношение НАД+/НАДН является весьма лабильной величиной, особенно в митохондриях тканей с высокой интенсивностью окислительно-восстановительных процессов. Поэтому этот фактор участвует в контролировании скорости ПДГ-реакции как в головном мозге, так и в других тканях. Напротив, регуляторная роль другого продукта реакции – ацетилКоА – в головном мозге меньше, чем в других тканях, которые способны к окислению больших количеств свободных жирных кислот и, следовательно, к значительным изменениям в концентрации ацетилКоА.
Таким образом, в митохондриях головного мозга доминирующий путь метаболизма пировиноградной кислоты – окислительное декарбоксилирование – контролируются главным образом изменением отношения АТФ/АДФ и НАД+/НАДН в митохондриях. Опыты с 2С-пируватом показали, что скорость использования образующегося в ПДГ-реакции ацетилКоА для синтеза цитрата в головном мозге в 3,0–4,5 раза выше, чем в печени, почках и сердце.
Свободные жирные кислоты и кетоновые тела как источники ацетилКоА в мозге. Образование ацетилКоА для цитратсинтазной реакции может происходить также в реакциях окисления свободных жирных кислот или кетоновых тел, а также в ходе метаболических превращений ряда аминокислот. Однако оба эти пути пополнения фондов ацетилКоА, имеющие большое значение для многих тканей, в мозге взрослых животных играют весьма скромную роль.
Например, в экспериментах с С глюкозой и, С пальмитиновой кислотой, выполненных на срезах мозга кролика, установлено, что до С02 и Н20 окисляется 385±15 нмоль глюкозы и лишь 0,02–0.04 нмоль жирной кислоты в расчете на I г ткани за 1 ч. Такая колоссальная разница в скорости утилизации двух энергетических субстратов объясняется низкой активностью ферментов, лимитирующих окисление свободные жирных кислот в мозге взрослых животных, в первую очередь – низкой активностью апилКоА-синтазы.
Напротив, в головном мозге растущих животных свободные жирные кислоты и особенно кетоновые тела окисляются гораздо интенсивнее, чем у взрослых. Это обусловлено несколькими факторами. Во-первых, более высокой концентрацией кетоновых тел в крови в неонатальный период, когда животное получает в основном молочную пищу. Во-вторых, с возрастом, по мере формирования гематоэнцефалического барьера, уменьшается скорость поглощения мозгом кетоновых тел из крови. Так, при одинаковой концентрации кетоновых тел в крови артериовенозная разница для мозга 16–20-дневных крысят в 3–4 раза выше, чем у взрослых.
Еще одним важным обстоятельством, обусловливающим более интенсивное использование кетоновых тел мозгом растущих животных, является высокая активность ферментов, лимитирующих скорость этого процесса: 3-р-окси-бутиратдегидрогеназы, КоА-трансферазы р-кислот и ацетоадетил – КоА-тиолазы Активность первых двух энзимов обнаруживается в мозте уже при рождении, достигает максимума к 20–25-му дню, а затем резко снижается. У 20–25-дневных крыс активность этих ферментов в 2–3 раза выше, чем у взрослых животных. Аналогичный характер имеют возрастные изменения активности митохондриальной формы ацетоацетил-КоА-тиолазы. Однако общая активность фермента в нервных клетках наиболее высока у новорожденных животных, а затем постепенно снижается. Ранняя постнатальная индукция «ключевых» ферментов метаболизма кетоновых тел контрастирует со значительно более медленным возрастанием активности лимитирующих ферментов гликолиза, ЦТК, а также пируватдегидрогеназного комплекса. Из-за значительного преобладания активности ацетилКоА-тиолазы над активностью ПДГ в мозге растущих животных ацетилирование свободного TCoA-SH происходит главным образом в тиолазной реакции а у взрослых – в пируватдегидрогеназ-ной.
В головном мозге растущих животных ацетилКоА, образующийся в ходе метаболизма кетоновых тел, расходуется не только на окисление в ЦТК, но в значительной мере идет на процессы биосинтеза специфических липидов мозга. Интенсивное окисление кетоновых тел характерно именно для периода миелинизации, роста аксонов и дендритов и образования функциональных синаптических комплексов.