Фізіологічна роль КК.

У проаналізованих вище роботах основний упор був зроблений на пошук оптимальних умов для прояву активності мт-КК. По суті, постулював пряма передача АН між активними центрами мт-КК і ТАН використовується для того, щоб пояснити ефективний синтез КФ за допомогою мт-КК. Однак окисне фосфорилювання – це первинний процес запасання енергії, і в зв’язку з цим важливо знати, яка роль мт-КК у забезпеченні ефективного синтезу АТР мітохондріями. КК присутній по обидві сторони від зовнішньої мембрани мітохондрій, тому було висловлено припущення, що перенесення Кр з цитоплазми в межмембранное простір може розглядатися як непрямий перенос ADP – субстрату фосфорилювання і що в цьому непрямому перенесення ADP полягає головна функція мт-КК [Nicolay, ea 1998, Van_Dorsten, ea 1998, Gellerich. ea 2000].

Відомо, що асинхронні літальні м’язи комах, що характеризуються високою швидкістю скорочення і високим рівнем аеробного обміну, містять еволюційний попередник КК – аргінінкіназу – тільки в цитоплазмі, але не в мітохондріях [Sactor. ea 1954, Lewis. ea 1962, Wyss, ea 1995]. Висі та співавт. пояснюють цей факт тим, що в літальних м’язах багато мітохондрій і дифузійні відстані невеликі [Wyss, ea 1995]. Між тим діаметр фібрил в асинхронних м’язах комах (2 мкм) [Smith. ea 1963] не менше діаметра фібрил в серці (1-2 мкм) [Meyer, ea 1984], а вміст мітохондрій в них (40% v / v) [Smith. ea 1963] не набагато більше, ніж в серце (22-37%) [Ventura-Clapier, ea 1994] (до 40% у разі маленьких тварин [Ventura-Clapier, ea 1998]). Крім того, швидкість продукції енергії (QО2 Р / O) мітохондріями літальних м’язів порівнянна зі значеннями, отриманими для серцевих мітохондрій [Gregg, ea 1960, Childress. ea 1966]. Зміст АН в цих м’язах знаходиться в межах, знайдених для збудливих тканин хребетних [Sactor, ea 1966, Beis, ea 1975]. У той же час у фізіологічних умовах Kкаж аргінінкіназной реакції [Rao, ea 1976] в напрямку синтезу АФ приблизно в 10 разів більше Ккаж для креатінкіназной реакції [Lawson, ea 1979], а відношення АФ / Ар нижче, ніж відношення КФ / Кр у м’язах хребетних [Beis, ea 1975]. Аргінінкіназная реакція в спокої в літальних м’язах знаходиться в стані рівноваги [Beis, ea 1975]. Все це дозволяє припустити, що в стані спокою концентрація вільного ADP в асинхронних літальних м’язах може бути в кілька разів вище, ніж у м’язах хребетних. Під час польоту ця концентрація ще зростає [Sactor, ea 1966]. Ймовірно, відсутність аргінін кінази в мітохондріях літальних м’язів може бути пояснено саме існуванням в цих м’язах відносно високої концентрації вільного ADP в цитоплазмі, при якій відпадає необхідність в мітохондріальному ізоферментів аргінінкінази. Відомо, що в літальних м’язах швидкість окисного фосфорилювання регулюється головним чином не концентрацією ADP, а залежить від активності ряду дегідрогеназ, які активуються при переході від спокою до скорочення [Sactor, ea 1970]. Є також спеціальні механізми, що дозволяють подолати ннгібнрующій ефект високої концентрації ADP на АТРазу актоміозіна [Biosca, ea 1990]. Можливо, що саме відмінності в положенні рівноваги двох реакцій послужили причиною еволюційної заміни аргінінкінази на КК. Креатінкіназная реакція може забезпечити більш високе відношення ATP / ADP і більш високий фосфорильної потенціал в цитоплазмі, ніж аргінінкіназная реакція. Таким чином, заміна аргінінкінази на КК, з одного боку, дає величезну перевагу, так як КК може підтримувати відношення ATP / ADP в цитоплазмі на високому рівні, але, з іншого боку, виникає нова проблема, так як концентрація ADP в цитоплазмі низька, а зовнішня мембрана мітохондрій володіє обмеженою проникністю. Ймовірно, поява мт-КК в міжмембранну просторі мітохондрій дозволило вирішити це протиріччя. На рис. 4 наведена схема функціонування мт-КК, яка логічно випливає з усього сказаного вище. Оскільки градієнт, створюваний зовнішньою мембраною, лежить в області мікромолярних концентрацій, концентрації трьох субстратів КК: АТР, КФ і Кр – в міжмембранну просторі мітохондрій в будь-який момент часу фактично не повинні відрізнятися від їх концентрації в цитоплазмі. У цитоплазмі м’язів та серця Креатінкіназная реакція близька до стану рівноваги в широкому діапазоні умов [Ugurbil, ea 1986, Meyer, ea 1984, Mattews, ea 1982]. Це означає, що мт-КК не може створити в міжмембранну просторі концентрацію четвертого субстрату, ADP, вище тієї рівноважної концентрації, яка існує в даний момент у цитоплазмі. Чим ближче мт-КК до стану рівноваги, тим ближче концентрація ADP в міжмембранну просторі до концентрації ADP в цитоплазмі. Таким чином, представляється, що специфічна функція мт-КК полягає у швидкому зрівноважуванні концентрації ADP і, отже, відносини ATP / ADP, в міжмембранну просторі з тими величинами, які існують в даний момент в цитоплазмі [Липська ea 2000]. Так як ця система працює без підсилення, то завдяки активності мт-КК система окисного фосфорилювання отримує неспотворену інформацію про поточну величиною фосфорильної потенціалу в цитоплазмі. У біоенергетичної моделі, яка описує події циклу скорочення і розслаблення в м’язі, такий механізм зворотного зв’язку є достатнім для підтримки енергетичного балансу [Jeneson, ea 1996, Kushmerick, ea 1998]. У той же час при низькій концентрації ADP в м’язових клітинах, ADP, присутній в міжмембранну просторі, повинен стимулювати подих мітохондрії в набагато більшому ступені, ніж воно було б стимульовано у присутності такої ж концентрації ADP в цитоплазмі і при відсутності активності мт-КК (за рахунок того, що КmADP ​​для власне ТАН повинна бути нижчою, ніж КmADP ​​для мітохондрії, на величину якої впливають відносна непроникність зовнішньої мембрани). При фізіологічних значеннях рН максимальна активність мт-КК всього в 2-3 рази перевершує максимальну швидкість окисного фосфорилювання [Lipskaya. ea 1995, Saks, ea 1980]. Можливо, що олігомерні форми мт-КК, різняться за своїми кінетичними властивостями [Lipskaya. ea 1989], потрібні для того, щоб підтримувати креатин-кіназного реакцію в мітохондріях в близькому до рівноваги стані в широкому діапазоні умов. Можна розрахувати, що максимальна швидкість споживання кисню тканиною серця дорівнює 49-56 мкг-ат О / хв на 1 г сирої тканини. Споживання кисню серцем без навантаження складає близько 4 мкг-ат О / хв на 1 г тканини [Balaban, ea 1989], тобто менше 10% від максимально можливого. При середніх навантаженнях серце щура споживає 12-23 мкат Про / хв на 1 г сирої ваги [Kingsley-Hickman, ea 1987], що становить 25-40% від максимально можливої ​​швидкості дихання, яка досягається тільки в стані стресу. Було знайдено, що при середніх навантаженнях, коли коронарний кровотік не лімітує надходження субстратів, збільшення швидкості дихання тканини серця в 2-3 рази не супроводжується змінами в цитоплазмі концентрації учасників креатінкіназной реакції [Balaban, ea 1989, Katz, ea 1989], яка знаходиться в стані, близькому до рівноважного. Можна припустити, що в цих умовах і мт-КК знаходиться в близькому до рівноваги стані. Про близькому до рівноважного стану мт-КК in vivo свідчать досліди з [31Р] ЯМР на мишах, генетично позбавлених ММ-КК [Nicolay, ea 1998, Van_Dorsten, ea 1998]. У той же час при максимальних навантаженнях, ймовірно. можливе відхилення креатінкіназной реакції як в мітохондріях, так і в цитоплазмі, від положення рівноваги [Saks, ea 1996, Aliev, ea 1997, Saks, ea 2000], хоча навіть при навантаженнях, близьких до максимальних, різниця у вмісті метаболітів між систоли і діастоли спостерігається тільки при перфузії серця глюкозою, але не пируватом [Wikman-Coffelt, ea 1983]. За розрахунками Кушмеріка, відхилення креатінкіназной системи від рівноваги в швидких скелетних м’язах навіть при максимальних навантаженнях дуже невелике і короткочасно [Kushmerick, ea 1998]. Всяке значне відхилення креатінкіназной реакції від положення рівноваги означає різке зниження ефективності її як енергетичного буфера, тому що тільки при рівновазі, коли дельтаG = 0, обмін фосфорілом між АТР і КФ відбувається без втрат енергії системою. З іншого боку, при максимальних навантаженнях, якщо збільшується вміст вільного ADP в цитоплазмі, то різниця в концентрації ADP між цитоплазмою і міжмембранну простору повинна відносно зменшуватися [Gellerich, ea 1994] і повинна знижуватися роль мт-КК в процесі їх вирівнювання. Можливо, що фізіологічна роль інших КК, пов’язаних з внутрішньоклітинними структурами в місцях споживання АТР, також полягає у швидкому зрівноважуванні локальних концентрацій ADP, що виникають у відповідних компартментах в процесі функціонування цих АТРаз, з концентрацією ADP в цитоплазмі. З цієї точки зору поява локальних КК є адаптаційним пристосуванням до складної структурної організації білків у клітині, що створює всередині деяких білкових комплексів додаткові дифузійні обмеження, які стають істотними для речовин, присутніх в клітці в низькій концентрації. Як і у випадку з мт-КК. чим ближче локальні креатінкіназние реакції до стані рівноваги, тим більш ефективно осушествляет вони свою функцію. Для міофібрил скелетних м’язів відношення КК: міозин дорівнює 1: 40 [Wallimann, ea 1985], а в миофибриллах серця це відношення може досягати величини 1: 10 [Ventura-Clapier, ea 1987]. У той же час активність КК в миофибриллах серця щура перевершує АТРазную активність приблизно у 8 разів [Ventura-Clapier, ea 1994], а у швидкій м’язі курчати-в 2,3 рази [Ventura-Clapier, ea 1994]. Таким чином, в миофибриллах можна бачити вияв того ж принципу. що і в мітохондріях: кількість молекул КК багато менше, ніж число молекул міозину (число молекул ТАН в мітохондріях), а питома активність КК – багато вище. З наведеної моделі слід також, що мт-КК, розчинна КК цитоплазми н ММ-КК, пов’язана зі структурами, функціонують не незалежно одна від одної, як це передбачає гіпотеза про транспортної функції креатінкіназной системи, а перебувають у постійній взаємодії.

Чи можна вважати, що всі аспекти функції креатінкіназной системи вже вивчені? З проведеного аналізу видно, що це не так. В першу чергу це стосується мт-КК. Не ясна роль мт-КК у контактних ділянках, не ясна роль олігомерних форм і можливість їх взаємних переходів в нативних мітохондріях. Вивчення креатінкіназной реакції, а також інших периферичних кіназного реакцій мітохондрій може дати важливу інформацію про компартментаціі нуклеотидів в міжмембранну просторі і фізіологічному значенні цього явища [Laterveer, ea 1997]. Важлива інформація може бути отримана при вивченні креатінкіназной системи в немишечних тканинах і клітинах [Wallimann, ea 1994], зокрема, в мозку, КК цитоплазми і мітохондрій якого представлена ​​іншими, ніж у м’язах, ізоформами [Eder, ea 1999, Schlegel, ea 1998 ], а також в м’язових клітинах різних видів тварин, що стоять на різних щаблях еволюції [Ventura-Clapier, ea 1998]; при різних патологічних станах [O’Gorman, ea 1997, Soboll, ea 1999, Neubauer, ea 1999, De_Sousa, ea 1999], при зіставленні функцій КК і її еволюційного попередника – аргінінкінази [Newsholme, ea 1978, Eder, ea 1999, Davuluri, ea 1981], а також в результаті використання методів генної інженерії і ЯМР [Nicolay, ea 1998, Van_Dorsten, ea 1998 , Koretsky, ea 1995, Veksler, ea 1995].

Comments are closed.