85 ФОРМИРОВАНИЕ ОСНОВНОГО ФЕРМЕНТАТИВНОГО ПУЛА
advertisement
85 биофизика клетки ФОРМИРОВАНИЕ ОСНОВНОГО ФЕРМЕНТАТИВНОГО ПУЛА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МЕТАБОЛИЗМА ЖИВОТНОЙ КЛЕТКИ. ДИФФЕРЕНЦИРОВКА Воронцов Ю. П., 1Зарицкий А. Р., 2Пронин В. С. ДГК Больница №13 им. Н.Ф.Филатова, Департамент здравоохранения г. Москвы, http://www.13dgkb.ru 103001 Москва, Российская Федерация Физический институт им. П.Н.Лебедева, Российская академия наук, http://www.lebedev.ru 119991 Москва, Российская Федерация 1 Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова, Министерство здравоохранения и социального развития РФ, http://www.mma.ru 119991 Москва, Российская Федерация 2 Поступила 02.11.2011 Представлено чл.-корр. РАЕН В.И. Грачёвым 09.11.2011 Работа посвящена анализу действия механизма нацеленности клеток на усвоение определенных видов энергоемких субстратов и формирования в клетках соответствующего пула ферментов, осуществляющих катализ реакций биологического окисления. Представлен фактор, действие которого в простейших и клетках высокоорганизованных животных и человека определяет типовой состав этого пула. Построены кривые зависимостей от рН цитоплазмы эффективности синтеза ферментативных пулов основных процессов энергетического метаболизма сахаров, трикарбоновых кислот, жиров и углеводородных остовов азотсодержащих соединений. Полученное распределение процессов синтеза ферментов энергетического метаболизма по шкале кислотности цитоплазмы использовано для объяснения эффекта Пастера. В сочетании с дифференцировкой клеток по способу утилизации энергоемких субстратов это распределение использовано для объяснения синдромального характера протекания сахарного диабета. Ключевые слова: энергетический метаболизм, гомеостаз, синтез ферментов, анаэробное и аэробное окисление, диабет, дифференцировка клеток. УДК 577.3 субстратов и кумуляции ее в макроэргах (в основном в АТФ). Вторая – расход макроэргов на процессов синтеза ферментов поддержание клетками своей жизнеспособности энергетического метаболизма по шкале и жизнедеятельности. Соответственно, в реакциях кислотности цитоплазмы (86). указанных групп процессов участвуют два пула 3. Эффект Пастера в свете динамики синтеза ферментов. Ферменты первого пула (назовем его ферментативного пула (90). 4. Дифференцировка клеток по способу и режиму основным) определяют энергетическую основу для жизнедеятельности всех клеток, относятся утилизации энергоемких субстратов (91). ли они к одноклеточным организмам или входят 5. Заключение (93). в состав многоклеточных организмов высших Литература (94). животных и человека. 1. ВВЕДЕНИЕ При всем многообразии процессов Энергетический метаболизм клеток включает разного уровня сложности, протекающих в совокупность двух групп энергозависимых цитоплазме, мало какой другой вызывает такой противоположно направленных процессов. Первая интерес у исследователей, как формирование группа обеспечивает выделение химической ферментативной базы, ответственной за энергии при утилизации клетками энергоемких обеспечение энергией жизнедеятельности клеток. Содержание 1. Введение (85). 2. Распределение рЭнсит | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 2 86 Воронцов Ю.П., Зарицкий А.Р., Пронин В.С. биофизика клетки Поэтому рассмотрение заявленной темы следует начинать с самых ранних этапов становления и эволюционного развития животной клетки. Сложившийся к тому времени энергетический метаболизм клеток при отсутствии кислорода был нацелен, по-видимому, на анаэробное усвоение глюкозы, как доминирующего энергоемкого субстрата в окружающей среде. Такое изобилие сахара в этой среде можно отнести к побочным результатам деятельности доклеточных форм жизни с их примитивным метаболизмом. В силу биологического консерватизма ферментативный пул, задействованный в реакциях анаэробного окисления глюкозы до пировиноградной и молочной кислот, был унаследован последующими поколениями клеток и используется современными животными клетками для обеспечения энергией процессов их жизнедеятельности и деления. Как показано в [1], единственным естественным фактором, определяющим четкий порядок включения сложных процессов деления клеток может быть только неуклонное закисление их цитоплазмы после начала распада и усвоения гликогена от нейтральных значений pH, соответствующих уровню кислотности вод архаичного океана, до значений, близким к тем, которые клетка гомеостатирует в режиме покоя. Закисление цитоплазмы от нейтральных значений pH стало тем начальным системообразующим фактором, который и по сей день запускает процессы расплетения суперспиралей ДНК и удаления хроматина с ее локусов до состояния «ламповой щетки» (высокой степени деспирализации хроматина), обеспечивающего репликацию основного генетического материала клетки при ее делении. В свою очередь, указанный уровень (нейтральные значения pH), соответствует той кислотности цитоплазмы, при которой первые 2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА клетки «научились» анаэробно усваивать глюкозу. ФЕРМЕНТОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО Последующие этапы эволюционного развития МЕТАБОЛИЗМА ПО ШКАЛЕ КИСЛОТНОСТИ клеточного мира характеризуются переходом ЦИТОПЛАЗМЫ на более полное, аэробное усвоение глюкозы и Известно, что ядро основного ферментативного других сахаров. При этом гликолиз выступает пула, ответственного за усвоение основных видов в качестве одного из подготовительных этапов энергоемких субстратов в реакциях биологического процесса окисления трикарбоновых кислот окисления, практически одинаково в клетках в цикле Кребса и системы окислительного высокоорганизованных животных и простейших. фосфорилирования [2]. Новые способы Этот факт указывает на то, что многоклеточные утилизации энергоемких субстратов потребовали организмы произошли от простейших. привлечения новых ферментов, катализирующих Если это – реализация программы, записанной в геноме, то остается вопрос: что является первым толчком, тем системообразующим фактором, который дает старт ее развертыванию? Если же в клетках срабатывает некий авторегуляторный механизм, в котором геном является ведомым и лишь хранителем информации о ферментах указанного пула, то все равно остается тот же вопрос о факторе, определяющем срабатывание такого механизма. Разделяя вторую точку зрения, определим целью данной работы выяснение основных принципов формирования и действия механизма автоматического регулирования видового и количественного состава основного ферментативного пула, участвующего в реакциях биологического окисления в цитоплазме как простейших, так и клеток высокоорганизованных животных и человека. Достижение указанной цели позволит разобраться в сути фундаментальных процессов жизнедеятельности клеток и прояснить: • принцип действия механизма перехода энергетического метаболизма простейших на утилизацию доминирующего энергоемкого субстрата при его смене в окружающей среде; • принцип действия механизма нацеленности специализированных клеток в составе высокоорганизованного организма на усвоение определенного (ых) вида (ов) энергоемких субстратов; • другие вопросы, касающиеся изменений видового и количественного состава ферментов основного пула. Наиболее продуктивным представляется эволюционный подход к анализу данной проблемы. 2 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | рЭнсит биофизика клетки окислительные реакции превращения исходных соединений (в данном случае трикарбоновых кислот) в конечные продукты (угольный ангидрид и воду). Оставив без ответа проблему появления и закрепления в геноме соответствующей информации, поскольку из-за сложности она требует отдельного рассмотрения, укажем только структурообразующий фактор, обеспечивающий ее реализацию. Поскольку генеральной линией эволюционного развития живых систем, независимо от их иерархического положения по организации, по нашему мнению, является неуклонный рост интенсивности их энергетического метаболизма, то эволюционные изменения простейших неизбежно сопровождались все большим закислением их цитоплазмы. Следуя логике биологического консерватизма, следует признать, что в этом случае эволюция воспользовалась уже испытанным средством. У простейших, «научившихся» аэробно утилизировать сахара, благодаря возросшей интенсивности окислительных процессов гомеостаз кислотности pH цитоплазмы в режиме покоя установился на более низком уровне, чем у клеток, способных эти сахара утилизировать анаэробно. Закисление цитоплазмы стало тем системообразующим фактором, который обеспечивает в режиме покоя клетки доступность для ДНК-зависимой РНК-полимеразы соответствующих локусов генома, в которых хранится информация о ферментах, катализирующих реакции указанных процессов. Таким образом, изменение pH цитоплазмы в состоянии покоя клеток стало регуляторным фактором в появлении в них веществ, участвующих в усвоении сахаров новым способом. Следует подчеркнуть, что устанавливающийся в режиме покоя животной клетки уровень кислотности в цитоплазме является необходимым системообразуюцим фактором, который обеспечивает старт процессов синтеза ферментов основного пула. Кроме того, его действие достаточно для формирования в этом режиме многих (если не большинства) ферментов ядра этого пула, разного для разных уровней кислотности цитоплазмы, как по видам, так и по количественному составу, однако, ФОРМИРОВАНИЕ ОСНОВНОГО ФЕРМЕНТАТИВНОГО ПУЛА способного обеспечить жизнеспособность и жизнедеятельность клетки. Это положение не исключает действия других регуляторных механизмов, появившихся на последующих этапах эволюционного развития клеточного мира и влияющих на видовой состав ферментов основного пула. Однако указанный системообразующий фактор в формировании этого пула является ведущим. Рис. 1 иллюстрирует изложенное выше утверждение. Представленные здесь кривые не являются результатом конкретного эксперимента. Их конфигурация и другие характеристики только соответствуют известным данным, нашедшим отражение в учебной литературе. Под термином эффективность процесса в данном случае авторы понимают скорость наработки клеткой группы ферментов основного пула, усредненной по времени, продолжительность которого при смене условий в среде обитания достаточна для установления стационарного состояния цитоплазмы (в первую очередь по pH и АТФ) в режиме покоя. Здесь по оси абсцисс отложены значения pH цитоплазмы, а по оси ординат - нормированные на единицу кривые γ эффективности синтеза ферментов, участвующих в окислительных процессах и синтезе АТФ. Кривая γ0 – зависимость эффективности синтеза ферментов, участвующих в процессах анаэробного усвоения сахаров, от величины pH цитоплазмы. Скорость синтеза этой первой группы ферментов пропорциональна величине γ0. Максимум эффективности расположен вблизи нейтральных значений pH. На рис. 1 приведена также зависимость от pH цитоплазмы эффективности γ1 синтеза ферментов, катализирующих реакции процессов Рис. 1. Кривые зависимостей нормированных на единицу эффективности γ синтеза четырех групп ферментов, ответственных за усвоение энергоемких субстратов в процессах энергетического метаболизма клеток, от величины pH цитоплазмы. рЭнсит | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 2 87 88 Воронцов Ю.П., Зарицкий А.Р., Пронин В.С. аэробного усвоения клетками сахаров. Основное ядро указанного пула составляют ферменты, задействованные в процессах усвоения трикарбоновых кислот. Максимум эффективности синтеза этой второй группы ферментов, по нашему мнению, достигается при значениях pH цитоплазмы, сдвинутых относительно нейтральных значений в кислую сторону примерно на единицу. Следующей в ряду эволюционных преобразований, по нашему мнению, стала способность простейших усваивать животный и растительный жиры, постепенно накопившиеся в окружающей среде в результате гибели клеток. К этому времени запасы сахаров в природе существенно сократились, и задача перехода простейших на усвоение жиров стала актуальной. Проблему усвоения клетками жиров природа решила в соответствии с принципом биологического консерватизма, дополнив уже сложившийся ферментативный пул, обеспечивающий аэробное усвоение трикарбоновых кислот, новыми ферментами. Их назначение – подготовка жирных кислот к усвоению по «привычному» пути трикарбоновых кислот. При указанной подготовке «дополнительные» ферменты катализируют реакции β-окисления жирных кислот [2]. Энергетический выигрыш по сравнению с усвоением углеводов неизбежно сопровождается усилением закисления цитоплазмы. Поэтому эволюция опять прибегла к испытанному приему. Увеличение кислотности цитоплазмы стало тем системообразующим фактором, который и в современных клетках обеспечивает доступность соответствующих локусов генома для снятия с них информации об указанных «новых» ферментах. Кривая γ2 (рис. 1) зависимости эффективности синтеза ферментов, катализирующих реакции β-окисления жирных кислот от pH цитоплазмы, иллюстрирует изложенные выше утверждения. Своего максимума величина γ2 и, следовательно, скорость синтеза этой (третьей) группы ферментов достигают при значениях pH цитоплазмы, сдвинутых относительно нейтральных значений в кислую сторону на 1.5–2 единицы. Мы считаем, что дальнейшие эволюционные преобразования, связанные с обогащением ферментативного пула простейших проходили 2 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | рЭнсит биофизика клетки по схожему с предыдущими этапами сценарию. Это касается способности клеток усваивать органические соединения, содержащие азот, и в первую очередь аминокислоты, накопившиеся в окружающей среде в результате их жизнедеятельности и гибели. В клетках появились ферменты, катализирующие реакции отделения углеводородного «скелета» этих соединений от тех их частей, которые содержат атомы азота и не могут быть использованы в качестве энергоемких субстратов [2]. Углеводородная часть соединений подвергается β-окислению и далее усваивается по «привычному» пути утилизации трикарбоновых кислот. Повышенное (по сравнению с утилизацией жиров) закисление цитоплазмы опять стало системообразующим фактором, который и в современных клетках обеспечивает доступность соответствующих локусов генома для снятия информации о ферментах, осуществляющих катализ реакций отделения углеводородного «скелета» азотсодержащих органических соединений. Поэтому максимум эффективности γ3 синтеза этой (четвертой) группы ферментов достигается при значениях pH цитоплазмы, смещенных в кислую область относительно нейтральных на 2–2.5 единицы (см. Рис. 1). Следует заметить, что синтез ферментов, участвующих в утилизации энергоемких субстратов и их репарационные процессы осуществляется преимущественно в состоянии покоя клеток [1] в сравнительно узком диапазоне значений как pH, так и концентрации АТФ в цитоплазме. Сами же эти ферменты активны во всем биологическом диапазоне значений pH цитоплазмы. Максимумы их активности достигаются при тех высоких значениях pH, которые реализуются в матриксе митохондрий и в цитоплазме в режиме активности клеток [1]. Поливалентная клетка (речь идет о простейших одноклеточных организмах) способна утилизировать любой из основных видов энергоемких субстратов. Покажем, каким образом такая клетка перестраивает свой энергетический метаболизм при смене основных видов энергоемких субстратов в среде ее обитания. Обратимся снова к рис. 1. Пусть в окружающей среде сначала доминировали сахара, и клетка успешно их аэробно утилизировала. Состоянию покоя такой клетки соответствует биофизика клетки точка, лежащая на кривой γ1. При смене сахаров в окружающей среде на жиры или аминокислоты в клетках вначале практически нет ферментов, ответственных за подготовку этих видов субстрата к утилизации по пути усвоения трикарбоновых кислот. Однако, по мере истощения запасов АТФ и первичного подщелачивания цитоплазмы, связанного с ослаблением окислительных процессов утилизации сахаров, в клетках начинают доминировать процессы ферментативного распада органических соединений. Результатом всех видов распада органических соединений является то, что внутренняя среда клеток постепенно закисляется, неизбежно попадая в область значений pH, при которых могут эффективно синтезироваться ферменты, обеспечивающие подготовку данных видов субстратов к их усвоению по «привычному» пути. Некоторые процессы ферментативного распада органических соединений (как правило, обратимые) сопровождаются синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфата (не путать с окислительными процессами). Они являются хоть и слабыми, но в силу своей архаичности и потому простоте, надежными поставщиками АТФ для синтеза ферментов, необходимых для утилизации субстратов, пришедших на смену сахарам. Поэтому при низкой интенсивности указанных синтетических процессов перестройка метаболизма клеток на усвоение субстратов, эволюционно более позднего происхождения, требующая значительных энергозатрат на синтез необходимых ферментов, занимает 1–1.5 суток. Перестройка метаболизма на утилизацию энергоемких субстратов, эволюционно более раннего происхождения, происходит естественным путем. Так, например, когда начинает доминировать другой субстрат, для утилизации которого еще не наработался достаточный пул ферментов, то скорость окислительных процессов падает и уменьшается концентрация АТФ в цитоплазме. И как следствие происходит ее подщелачивание (об этом уже было упомянуто выше) до значений pH, оптимальных для синтеза необходимых ферментов, успешно утилизирующих преобладающий на данный момент субстрат. Ферменты, ответственные за утилизацию субстрата, пришедшего на смену предыдущему, в клетках уже есть (см. рис. 1), и требуется только увеличить его пул. Поэтому ФОРМИРОВАНИЕ ОСНОВНОГО ФЕРМЕНТАТИВНОГО ПУЛА перестройка метаболизма осуществляется в сроки более короткие, чем в вышерассмотренном случае. Следует заметить что, утрата «ненужных» ферментов происходит постепенно с характерным временем ~20 суток. Поэтому быстрый возврат клеток к исходному метаболизму обеспечен при смене энергоемкого субстрата за отрезок времени меньший, чем указан в конце предыдущего абзаца. Подводя итог изложенному материалу, подчеркнем, что уровень кислотности цитоплазмы простейших, ставший на определенном этапе их эволюционного развития системообразующим фактором, в настоящее время определяет работу механизма автоматического перехода их энергетического метаболизма на усвоение доминирующего в окружающей среде энергоемкого субстрата. Клетки многоклеточных организмов унаследовали этот механизм, но в условиях гомеостаза (постоянства) уровней основных видов энергоемких субстратов в межклеточной жидкости приспособили его для других целей. Закисление цитоплазмы до определенного уровня и поддержание постоянства pH внутренней среды клеток в режиме покоя определяют нацеленность целых их групп на предпочтительную утилизацию определенных видов субстратов. Во внутренней среде организмов и цитоплазме покоящихся соматических (специализированных) клеток высших животных и человека поддерживается постоянство значений pH. На уровне организма это достигается за счет деятельности специальной функциональной системы. В клетках – за счет согласования скоростей основных биофизических процессов, определяющих ее метаболизм и жизнеспособность [1]. В условиях постоянства для клеток величины pH внешней среды (каковой для них является внутренняя среда организма: кровь и межклеточная жидкость) параметром, определяющим уровень кислотности их цитоплазмы в режиме покоя, является в основном величина трансмембранной разности электростатического потенциала [3, 4]. По указанному параметру специализированные клетки сильно различаются, располагаясь в ряд в порядке возрастания его абсолютной величины: у эритроцитов ~ 25 мВ; у нейронов ~50 мВ; у клеток мышечной ткани – 75–100 мВ и у клеток печени и других желез – 100–120 мВ рЭнсит | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 2 89 90 Воронцов Ю.П., Зарицкий А.Р., Пронин В.С. [5]. Проницаемость цитомембран для ионов водорода H+ чрезвычайно мала по сравнению с другими заряженными частицами. Поэтому их вклад в генерацию трансмембранной разности потенциалов невелик, и для оценки величины pH цитоплазмы в указанном ряде можно воспользоваться соотношением Больцмана для концентраций ионов H+ по обе стороны мембраны клеток: ni = ne ⋅ e − e0 ⋅U M k ⋅T (1) где ni.- концентрация ионов H+ в цитоплазме; ne – концентрация ионов H+ во внутренней среде организма (в плазме крови или в межклеточной жидкости); e0 – единичный заряд (принят за 1); UM – абсолютная величина трансмембранной разности потенциалов в мВ; величина kT – произведение постоянной Больцмана на абсолютную температуру среды в мэВ (~26 мэВ). Десятичный логарифм от величин в левой и правой частей данного соотношения, взятый с обратным знаком, дает выражение для оценки величины pH цитоплазмы при заданной величине UM: биофизика клетки уменьшаются. С одной стороны, это отражает факт значимости для клеточного метаболизма ферментов, обеспечивающих катализ реакций анаэробного усвоения сахаров и аэробной утилизации трикарбоновых кислот. Ферменты указанных пулов представлены во всех клетках независимо от того, какой уровень кислотности биологического диапазона значений pH поддерживается постоянным в их цитоплазме. Пул анаэробного усвоения сахаров представлен во всех клетках и необходим для обеспечения энергозависимых процессов их деления, а пул утилизации трикарбоновых кислот является основой для всех систем аэробного усвоения энергоемких субстратов. Поэтому ширина максимума на полувысоте кривой γ0 самая большая, кривой γ1 несколько меньше, а γ2 и γ3 значительно меньше двух первых. С другой стороны, именно такое расположение и конфигурация кривых обеспечивает простейшим надежность срабатывания механизма перестройки энергетического метаболизма на доминирующие в окружающей среде субстраты при их смене и экономию энергоресурсов при наличии в ней только жиров или только азотсодержащих соединений. UM , (2) 60 где величина pH цитоплазмы обозначена индексом i, а внешней среды – e; UM – абсолютная величина 3. ЭФФЕКТ ПАСТЕРА В СВЕТЕ ДИНАМИКИ СИНТЕЗА ФЕРМЕНТАТИВНОГО ПУЛА трансмембранной разности потенциалов (в мВ). Развитые в настоящей работе представления Соотношение (2) позволило по известным о формировании основного ферментативного данным величины UM для каждой группы пула, участвующего в усвоении пищевых специализированных клеток, нацеленных на субстратов, позволяют анализировать процессы преимущественное усвоение определенных видов энергетического метаболизма клеток на энергоемких субстратов, оценить расположение качественном и на полуколичественном уровне. по оси pH рис.1 максимумов величин γi (i = 0, С этих позиций можно объяснить известные 1, 2 и 3), упомянутых в начальной части данной феномены, например, эффект Пастера. Суть работы. данного явления заключается в том, что в Кривые, представленные на рис. 1, отражают присутствии кислорода в клетках снижается общие принципы эволюционного становления скорость потребления глюкозы и прекращается систем энергетического метаболизма клеток. накопление молочной кислоты – конечного Однако эта схема позволяет объяснить надежно продукта анаэробного усвоения сахара. Значение установленные опытные данные не только о эффекта Пастера состоит в переключении механизме нацеленности одноклеточных на клеточного метаболизма на более эффективный утилизацию доминирующего в окружающей и экономный путь получения энергии (усвоение среде субстрата, но и соматических клеток одной молекулы глюкозы по анаэробному пути – на утилизацию определенных видов дает 2 молекулы АТФ, а по пути кислородного энергосубстратов. По нашему мнению, ширины окисления – 38). Считается [2], что молекулярный максимумов кривых, взятых на полувысоте, по механизм эффекта заключается, по-видимому, мере роста кислотности цитоплазмы постепенно в конкуренции между системами дыхания и pH i = pH e − 2 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | рЭнсит биофизика клетки гликолиза (брожения) за АДФ, используемый для образования АТФ. Рассмотрим феномен с наших позиций. Обратимся к рис. 1. Пусть вначале окружающая среда была обеднена энергоемкими субстратами. По этой причине из-за низкой скорости окислительных процессов в клетках поддерживалось постоянство pH, близкое к нейтральным значениям указанной величины. Низким скоростям синтеза ферментов энергетического метаболизма, характерным для клеток в таких условиях (точки правой ветви кривой γ0), соответствует обедненный ферментативный пул аэробного пути усвоения сахаров (кривая γ1) и более богатый - анаэробного. Появление в изобилии в окружающей среде сахаров усилит в клетках окислительные процессы и вместе с тем наработку ферментов (и как видно из рисунка) преимущественно анаэробного окисления углеводов. Поэтому на начальном этапе усвоения клетками сахаров в каждой из них быстрее пополняется именно этот пул, и начинают доминировать процессы анаэробного усвоения сахаров. По мере разгона процесса гликолиза и постепенного закисления цитоплазмы активность ферментов, катализирующих реакции (анаэробного и аэробного) усвоения глюкозы, будет падать (максимум их активности достигается при величинах 8–9 единиц pH). Скорость синтеза ферментов, осуществляющих катализ реакций анаэробного усвоения сахаров, начинает снижаться, а аэробного, наоборот, расти. Пул первой группы ферментов постепенно обедняется, так как баланс скоростей их синтеза и распада нарушается в пользу распада, в то время как пул группы аэробного окисления сахаров, наоборот, растет. Поэтому доминирование анаэробного окисления сахаров, наблюдаемое в начале процесса, естественным образом сменяется преимущественным аэробным. Конечно, конкуренция за АДФ и неорганический фосфат имеет место, но не это обстоятельство оказывает решающее влияние на протекание указанных процессов. Если отвода кислых продуктов реакций нет, то окружающая среда и цитоплазма клеток непрерывно закисляются. При этом активность ферментов обоих путей утилизации сахаров неуклонно падает, и в конечном итоге окислительные процессы практически прекращаются. Возможно, что этот ФОРМИРОВАНИЕ ОСНОВНОГО ФЕРМЕНТАТИВНОГО ПУЛА молекулярный механизм главенствует в эффекте Пастера. 4. ДИФФЕРЕНЦИРОВКА КЛЕТОК ПО СПОСОБУ И РЕЖИМУ УТИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГОЕМКИХ СУБСТРАТОВ На ранних этапах эволюционного развития многоклеточных организмов, в их клетках, поскольку они унаследовали от простейших механизмы формирования своего основного ферментативного пула, возникли проблемы согласования деятельности перечисленных выше его групп. Как они решаются, будет показано ниже на примере известного системного заболевания – сахарного диабета. В свете изложенного представляется естественным при типизации специализированных клеток во главу угла поставить их отличия по способу утилизации энергоемких субстратов, оставив за указанными отличиями обобщающий с видами термин – «дифференцировка». Основанием для такого предложения является единый структурообразующий фактор, их обуславливающий – величина pH цитоплазмы, гомеостатируемая клеткой в режиме покоя. Таким образом, клетки высокоорганизованных животных и человека по данному признаку подразделяются на три основных типа, соответствующих трем диапазонам значений pH цитоплазмы, показанных на рис. 1: О2О1, О3О2 и О4О3. Первому диапазону соответствуют клетки нервных тканей и эритроциты, нацеленные на утилизацию сахаров, второму – клетки мышечных тканей, нацеленные на усвоение сахаров и жиров, и третьему – клетки печени, почек и тканей, утилизирующих жиры, аминокислоты и другие азотсодержащие соединения. Примером приложения использования развитых в данной работе представлений о структурных особенностях ферментативного пула специализированных клеток, относящихся к разным типам их энергетического метаболизма, является объяснение синдромального (затрагивающего большинство функциональных систем организма) характера развития такого заболевания, как сахарный диабет. Как известно, причиной формирования этого недуга является инсулиновая недостаточность [6], когда организм рЭнсит | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 2 91 92 Воронцов Ю.П., Зарицкий А.Р., Пронин В.С. не способен в должной мере обеспечить нуждающиеся в этом важном гормоне клетки. С помощью рис. 1 проследим, к каким последствиям это может привести. По нашему мнению, инсулин или его производные (например, его части, появившиеся в плазме крови и межклеточной жидкости вследствие деятельности пептидаз) прямо или опосредовано интенсифицируют не только процессы усвоения клетками сахаров по анаэробному пути, но и по аэробному, усиливая процессы окисления трикарбоновых кислот. Клетки, поддерживающие в своей цитоплазме гомеостаз pH в интервале О2О1 и половине интервала О3О2 со стороны высоких значений этой величины (эритроциты, клетки нервных тканей и часть мышечной), нацелены на преимущественную утилизацию сахаров и трикарбоновых кислот. В этих клетках (за исключением эритроцитов) формируется достаточно богатый ферментативный пул (см. кривую γ1), ответственный за утилизацию сахаров по пути трикарбоновых кислот, а в упомянутых клетках мышечной ткани, кроме того, хотя и в меньшей степени, – жиров (см. правую ветвь кривой γ2 в конце интервала О3О2). Этот ферментативный комплекс даже без участия инсулина успевает аэробно утилизировать указанные энергоемкие субстраты, не допуская накопления в цитоплазме промежуточных продуктов их окисления. При этом успевают окислиться и трикарбоновые кислоты, пришедшие из межклеточной жидкости, а не только полученные в результате разложения глюкозы в собственной цитоплазме. Иное дело клетки (основная часть клеток мышечной ткани), метаболизм которых определяет гомеостаз pH цитоплазмы в правой половине интервала О4О3 и левой половине интервала О3О2. В этих условиях ферментативный пул клеток, нацеленный на преимущественное усвоение жиров и в меньшей степени сахаров (и еще в меньшей степени аминокислот), существенно обеднен ферментами, катализирующими реакции усвоения энергоемких субстратов по пути трикарбоновых кислот (см. левую ветвь кривой γ1 рис. 1). А ферментативный пул, ответственный за подготовку жиров к усвоению (β-окисление), напротив, существенно обогащен. Об этом 2 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | рЭнсит биофизика клетки свидетельствует максимум скорости (γ2 на рис. 1) наработки таких ферментов, достигаемый в точке О3. Поэтому процесс подготовки жиров к утилизации по пути окисления трикарбоновых кислот и процесс аэробного окисления последних до двуокиси углерода могут быть согласованы только при достаточном во внутренней среде уровне инсулина, ускоряющего реакции второго процесса. В противном случае неизбежно накопление в таких клетках кислых промежуточных продуктов и конечного продукта первого процесса ацетилкоэнзима А, из которого в печени синтезируются кетоновые тела и ацетон [2]. Похожая ситуация складывается и с энергетическим метаболизмом клеток, нацеленных на утилизацию жиров, аминокислот и других азотсодержащих соединений (основная масса клеток печени и почек). Для этих клеток, гомеостатирующих pH цитоплазмы в левой половине интервала О4ОЗ, ближе к его центру (они нацелены на преимущественное окисление жиров), недостаток инсулина во внутренней среде скажется более остро, чем в ситуации, рассмотренной выше, поскольку вызовет расстройство деятельности пищеварительной и выделительной систем. Недостаток инсулина также негативно скажется на жизнедеятельности клеток, нацеленных на преимущественную утилизацию азотсодержащих соединений, поддерживающих постоянство pH цитоплазмы в районе максимума кривой γ3. Таким образом, недостаток важнейших анаболиков, разгоняющих процессы усвоения трикарбоновых кислот, негативно сказывается на деятельности практически всех функциональных систем организма. Это объясняет синдромальный характер протекания диабета. Однако подробный анализ данной ситуации не входит в круг вопросов, которые являются предметом настоящей работы. Среди вопросов, касающихся формирования основного ферментативного пула, важное место занимает феномен «тренированности» энергетического метаболизма клеток, то есть рост количества ферментов основного пула в прямой зависимости от времени нахождения их в режиме активности, и его «угнетения» (уменьшения) при чрезмерном нахождении специализированных клеток в этом режиме. биофизика клетки Дело в том, что указанные ферменты нарабатываются не только в режиме покоя клетки, но и при переходных режимах: при переходе из покоя клетки в режим активности и обратно. При этом реализуются более благоприятные условия для их наработки, чем при гомеостазе клетки в режиме покоя (выше интенсивность окислительных процессов и выше концентрация АТФ в цитоплазме). В режиме активности, напротив, наработка ферментов основного пула блокирована [1]. Разумный баланс времен нахождения клеток в указанных режимах объясняет феномен обогащения основного ферментативного пула, а чрезмерно длительное нахождение в режиме активности, наоборот, его обеднение. Другим не менее важным вопросом является действие молекулярных механизмов «развертывания» суперспиралей ДНК и «очистки» рабочих ее локусов от хроматина (белков и пептидов), препятствующего снятию с них информации. Синтезируемые в клетках вещества, осуществляющие указанные действия, мы предлагаем называть клинерами (от английского слова clean – очищать). Установление в цитоплазме постоянства уровня кислотности в режиме покоя клетки только на самых ранних этапах эволюционного развития простейших было достаточным для подготовки к снятию с ДНК информации о белках архаичного основного пула. Дальнейшее совершенствование клеток, появление у них способности усваивать новые виды энергоемких субстратов и особенно освоение новых экологических ниш, было неизбежно связано с их усложнением и появлением в них новых структурных элементов, часть из которых выполняла функцию клинеров. Закисление цитоплазмы до определенного уровня стало в основном только необходимым структурообразующим фактором, запускающим их синтез, дающим начало процессам формирования в клетке определенного набора ферментов основного пула. При этом для синтеза значительной части ферментов, которые участвуют в утилизации энергоемких субстратов, появившихся на поздних этапах эволюционного развития клеток, в качестве достаточного условия являются процессы в ФОРМИРОВАНИЕ ОСНОВНОГО ФЕРМЕНТАТИВНОГО ПУЛА суперспиралях ДНК, упомянутые в начале данного абзаца. Однако фактор кислотности цитоплазмы был и остается определяющим, что и отражено в схеме, представленной на рис. 1. В силу важности и сложности данного аспекта проблемы формирования основного пула, затронутого в предыдущем абзаце, ему необходимо посвятить отдельное исследование, что не является целью нашей работы, поэтому сделаем только следующие замечания. Во-первых, в силу биологического консерватизма наряду со сложными механизмами очистки рабочих локусов ДНК в клетках действуют также менее сложные, относящиеся к более ранним периодам эволюционного развития клеток. Во-вторых, так как для синтеза клинеров – новых веществ, появившихся в ходе эволюционного развития клеток, потребовались дополнительные энерговложения (причем не за счет ущерба для работы других систем), то среди клинеров всегда есть вещества, обеспечивающие этот энергетический выигрыш. 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Итак, в свете изложенного материала становится понятно, каким образом у простейших происходит переключение энергетического метаболизма с одного способа усвоения энергоемких субстратов на другой, более адекватный сменившимся условиям обитания и энергетически более выгодный. Выявлен общий для простейших и специализированных клеток многоклеточных организмов системообразующий фактор – кислотность цитоплазмы, гомеостатируемая в состоянии покоя клеток, – который определяет состав основного ферментативного пула и в конечном итоге нацеленность клеток на утилизацию определенного вида или видов энергоемких субстратов. Это позволяет в многообразии клеток высокоорганизованных животных и человека по отличиям в способе усвоения энергоемких субстратов естественным образом выделить три основных типа клеток, нацеленных на утилизацию: во-первых, сахаров (нервная ткань и эритроциты); во-вторых, сахаров и жиров (мышцы); и, в-третьих, жиров и азотсодержащих органических соединений (печень, почки и др.). рЭнсит | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 2 93 94 Воронцов Ю.П., Зарицкий А.Р., Пронин В.С. биофизика клетки В анализе структурных отличий соматических клеток важно отделить структуры, обеспечивающие их энергетический метаболизм и жизнедеятельность, с одной стороны, и способность осуществлять их специфические функции, с другой. Такое разграничение в рассмотрении структурных особенностей клеток позволяет перейти на качественно более высокий уровень. Так, авторы предлагают уточнить термин «дифференцировка» по типу клеток, сопоставленных с их отличиями по способу усвоения энергоемких субстратов, оставив за отличиями по указанному признаку термин «дифференцировка», а термин «специализация», характеризующий их виды, - использовать при анализе структурных отличий, обеспечивающих деятельность клеток, идущую на благо всего организма в целом. В работе только затронуты некоторые вопросы, касающиеся особенностей формирования основного ферментативного пула. Так, определены условия его обогащения и обеднения, отмечено также действие в клетках молекулярных механизмов расплетения суперспиралей ДНК и удаления с ее локусов хроматина для снятия необходимой в жизнедеятельности клеток информации. Эта важная тематика достойна отдельного рассмотрения и выходит за рамки данной работы. ЛИТЕРАТУРА 1. Зарицкий АР, Пронин ВС. Биофизика основных режимов клеточного метаболизма. Краткие сообщения по физике ФИАН, 2006, №12, с. 8–27. 2. Березов ТТ, Коровкин БФ. Биологическая химия. М., Медицина, 1990. 3. Фок МВ, Зарицкий АР. Авторегуляция как основа гомеостаза клеток. М., Космосинформ, 1997. 4. Виноградова МА, Зарицкий АР, Пронин ВС, Распопов НА, Фок МВ. Необратимые изменения метаболизма эритроцитов как основная причина возникновения стресса у больного при переливании ему консервированной донорской крови. Краткие сообщения по физике ФИАН, 2008, №6, с. 39–50. 5. Ткаченко БИ (ред.). Нормальная физиология человека. М., Медицина, 2005, 2 изд., 928 с. 6. Дедов ИИ, Фадеев ВВ. Введение в диабетологию. М., Берег, 1998, 199 с. 2 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | рЭнсит Воронцов Юрий Петрович, д.м.н., проф., ДГКБольница №13 им. Н.Ф.Филатова Мосгорздрава 103001 Москва, Садовая-Кудринская ул., 15, yupmkpsp@rambler.ru Зарицкий Александр Романович, с.н.с., Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН 119991 Москва, Ленинский пр., 53, к.372 тел. +7 499 132-6309, zaritsky@sci.lebedev.ru Пронин Вячеслав Сергеевич, к.м.н., доцент, Первый Мос. гос. мед. университет им. И.М. Сеченова Минздравсоцразвития РФ 119991 Москва, Трубецкая ул., д. 8, стр. 2, тел. +7 499 246-3885, vspronin@yandex.ru 95 cell biophysics FORMATION OF THE MAIN ENZYMATIC POOL OF THE ENERGY METABOLISM IN ANIMAL CELLS. DIFFERENTIATION Vorontsov Yu.P., Nil Fedoroff Children’s Clinical Hospital, Moscow Department of Health, http://www.13dgkb.ru 15, Sadovo-Kudrinskaya str., 103001 Moscow, Russian Federation yupmkpsp@rambler.ru Zaritsky A.R., Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, http://www.lebedev.ru 53, Leninsky prosp., 119991 Moscow, Russian Federation maslova_marina87@ mail.ru Pronin V.S. Sechenov First Moscow State Medical University, Ministry of Health and Social Development of RF, http://www. mma.ru 8/2, Trubetskaya str., 119991 Moscow, Russian Federation vspronin@yandex.ru The work is devoted to study the mechanism of cell targeting at fixation of certain energy-intensive substrates and forming in cells a corresponding pool of enzymes, which promote catalysis for reactions of biological oxidation. Presented factor, whose action in protozoa and cells determines a typical composition of the pool. Constructed curves of the pH dependence of the efficiency of cytoplasmic pools of enzymatic synthesis of basic processes of energy metabolism of sugars, tricarboxylic acids, fats and hydrocarbon skeletons of nitrogen-containing compounds. The obtained distribution of the processes of synthesis of enzymes of energy metabolism on a scale acidification of cytoplasm used to explain the effect of Pasteur. In conjunction with the differentiation of cells by way of recycling of energy-intensive substrates this distribution is used to explain the syndromic nature of the occurrence of diabetes mellitus. Keywords: energy metabolism, homeostasis, the synthesis of enzymes, anaerobic and aerobic oxidation, diabetes, cells differentiation. UDC 577.3 Bibliography – 6 references Received 02.11.11 RENSIT, 2011, 3(2):85-95 REFERENCES 1. Zaritsky AR, Pronin VS. Kratkie soobscheniya po fizike FIAN, 2006, 12:8–27 (in Russ.). 2. Berezov TT, Korovkin BF. Biologicheskaya khimiya [Biological chemistry]. Moscow, Medizina Publ., 1990. 3. Fok MV, Zaritsky AR. Avtoregulyatzia kak osnova gomeostaza kletok [Autoregulation as the basis of the cells homeostasis]. Moscow, Kosmosinform Publ., 1997. 6. Dedov II, Fadeev VV. Vvedenie v diabetologiyu [Introduction to diabetology]. Moscow, Bereg Publ., 1998, 199 p. 4. Vinigradova MA, Zaritsky AR, Pronin VS, Raspopov NA, Fok MV. Kratkie soobscheniya po fizike FIAN, 2008, 6:39–50 (in Russ.). 5. Tkachenko BI (ed.). Normal’naya fiziologiya cheloveka [Normal human physiology]. 2nd Ed. Moscow, Medizina Publ., 2005, 928 p. рЭнсит | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 2
