ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2008, № 1, с. 115-118
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 577.121.4
УГЛЕВОДНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ В ПЕЧЕНИ КРЫС ПРИ ПИЩЕВОЙ ДЕПРИВАЦИИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ ДИАБЕТЕ
© 2008 г. А. Т. Епринцев, М. Ю. Шевченко, В. Н. Попов
Воронежский государственный университет, 394006 Воронеж, Университетская пл., 1
E-mail: bc366@bio.vsu.ru Поступила в редакцию 22.12.2006 г.
В экспериментах на голодающих крысах (Rattus rattus L.) и крысах (Rattus rattus L.) с аллоксановым диабетом исследовали активность ферментов и содержание метаболитов основных метаболических путей. Показано, что при изученных стрессовых состояниях адаптация углеводного метаболизма имеет общие закономерности - на фоне снижения активности ферментов гликолиза и пентозофос-фатного пути наблюдается интенсификация глюконеогенетических процессов, а также индукция глиоксилатного цикла. Предлагается гипотетический механизм адаптации клеточного метаболизма печени крыс к недостатку глюкозы как главного энергетического субстрата.
Главной задачей метаболизма при таких патологических состояниях как пищевая депривация и аллоксановый диабет является обеспечение глюкозой тканей и органов, которые полностью или частично зависят от данного источника энергии (Телушкин и др., 2005). Одним из основных биохимических механизмов адаптации метаболизма крыс к недостатку углеводов является трансформация жирных кислот в углеводы. Так, ранее в ге-патоцитах голодающих крыс были выявлены дополнительные изоформы аконитатгидратазы и малатдегидрогеназы (Епринцев др., 2002; Попов и др., 2001), а также индукция глиоксилатного цикла (Попов и др., 2000). Изменения в пищевом балансе, вызываемые пищевой депривацией и экспериментальным диабетом, требуют быстрой адаптации метаболизма печени крыс к смене глюкозы на альтернативные источники энергии -липиды и аминокислоты (Popov et al., 1996; Popov et al., 1998). Целью настоящей работы было изучение механизма этой адаптации на модели углеводного метаболизма голодающих крыс и крыс с экспериментальным диабетом.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В опытах использовали самцов белых лабораторных крыс (Яа11ш тоЛШ L.) массой 180-200 г. Их выращивали и содержали в виварии при обычном рационе питания, а затем помещали в условия пищевой депривации при свободном доступе к воде на срок до 7 сут при голодании и на весь период заболевания алллоксановым диабетом. Для индукции экспериментального диабета крысам подкожно вводили аллоксан из расчета 150 мг на 1 кг веса животного. Контрольным животным вводили равное количество физиологического
раствора. Развитие диабета определяли по содержанию глюкозы в плазме крови глюкозооксидаз-ным методом, используя набор BIO-LA-TEST GLU 250 ES (PLIVA-Lachema Diagnostica s.r.o., Чехия).
Активность ферментов центральных метаболических путей определяли спектрофотометри-чески, содержание интермедиатов энзиматиче-скими методами (Методы ... , 1974) на 5-е сут пищевой депривации и 14-е сут аллоксанового диабета. За единицу ферментативной активности принимали количество фермента, катализирующего образование 1 мкмоль продукта за единицу времени в стандартных условиях. Статистическую обработку проводили с применением í-кри-терия Стьюдента.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Голодание и экспериментальный диабет - это стрессовые факторы, существенно меняющие энергетический статус клетки. Особую роль с точки зрения межсистемной кооперации в организме выполняет печень, где протекают глюко-неогенетические процессы. В печени синтезируется глюкоза, формируются кетоновые тела, а также транспортная форма жира - приоритетные энергетические субстраты организма, используемые другими органами. Уменьшение поступления питательных веществ в клетку приводит к мобилизации гликогена печени и его содержание на 5-е сут голодания и 14-е сут аллоксанового диабета полностью иссякает (табл. 1). В тоже время происходит снижение содержания гликолитиче-ских и других интермедиатов.
Однако концентрация глюкозы в клетках печени практически не изменяется, что, видимо, до-
115
8*
Таблица 1. Динамика содержания интермедиатов в печени (на грамм ткани) голодающих крыс и крыс с аллокса-новым диабетом
Показатель Контроль Голодание (5 сут) Аллоксановый диабет (14 сут)
Гликоген, мкмоль в расчете на глюкозу 258.0 ± 2.60 0 10.0 ± 0.11
Глюкоза, мкмоль 6.14 ± 0.08 6.12 ± 0.05 5.86 ± 0.06
Фосфоенолпируват, нмоль 88.03 ± 0.88 72.44 ± 0.45 70.56 ± 0.06
Пируват, нмоль 144.56 ± 1.53 117.56 ± 1.17 119.35 ± 1.12
Лактат, мкмоль 1.56 ± 0.01 1.12 ± 0.1 0.78 ± 0.06
2-оксоглутарат, нмоль 180.89 ± 1.67 140.25 ± 1.53 120.67 ± 1.08
Малат, мкмоль 1.00 ± 0.05 0.46 ± 0.03 0.56 ± 0.04
Ацетоацетат, мкмоль 0.78 ± 0.01 0.98 ± 0.01 1.0 ± 0.01
Примечание. п = 5, р < 0.01.
Таблица 2. Изменение активности некоторых ферментов основных метаболических путей в печени голодающих крыс и крыс с аллоксановым диабетом
Показатель, Е/г сырой массы Контроль Голодание (5 сут) Аллоксановый диабет (14 сут)
Глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназа 2.05 ± 0.08 0.23 ± 0.01 0.66 ± 0.02
Фруктозо-1,6-бифосфат-альдолаза 3.15 ± 0.04 1.93 ± 0.09 2.05 ± 0.07
Пируваткиназа 2.41 ± 0.09 1.32 ± 0.04 1.29 ± 0.05
Сукцинатдегидрогеназа 1.31 ± 0.03 1.72 ± 0.04 1.67 ± 0.07
Малатдегидрогеназа 3.10 ± 1.24 8.29 ± 3.36 14.08 ± 0.64
Аконитатгидратаза 2.45 ± 0.06 8.37 ± 0.32 4.08 ± 0.15
Фосфоенолпируваткарбоксикиназа 0.55 ± 0.02 1.18 ± 0.03 2.31 ± 0.09
Изоцитратлиаза 0.00 0.71 ± 0.01 1.57 ± 0.06
Малатсинтаза 0.00 0.72 ± 0.02 2.29 ± 0.09
Аспартатаминотрансфераза 1.63 ± 0.04 1.98 ± 0.05 2.56 ± 0.11
Аланинаминотрансфераза 1.38 ± 0.04 9.32 ± 0.45 1.87 ± 0.08
Примечание. п = 5, р < 0.05.
стигается как ограничением ее утилизации, так и активацией глюконеогенетических процессов. Этому способствует снижение активности исследованных ферментов гликолиза и пентозофос-фатного пути: альдолазы, пируваткиназы и глю-козо-6-фосфатдегидрогеназы, соответственно. Изучение динамики активности фосфоенолпиру-ваткарбоксикиназы (ФЕПКК, 4.1.1.32) позволяет оценить весь глюконеогенез с позиций единого ферментативного ансамбля, определяющего скорость новообразования глюкозы в печени и почках. Как в условиях пищевой депривации, так и при аллоксановом диабете происходит активация ФЕПКК более чем в 2 раза (табл. 2). Динамика активности ФЕПКК как ключевого фермента глюконеогенеза отражает смену энергетических источников в течение всего периода стрессовых состояний. Так, например, полное расходование
гликогена сопряжено с интенсификацией работы ФЕПКК и аминотрансфераз на 5-е сут голодания, что в свою очередь свидетельствует о мобилизации запасного пула аминокислот (табл. 2). Мышцы - самый богатый источник аминокислот при голодании, однако выживание организма прямо коррелирует со способностью двигаться, для чего необходима большая мышечная масса (Попов и др., 2001). В условиях пищевой депривации превращение в гликоген структурных аминокислот, необходимых для обновления белков и полипептидов, приводит к истощению их пула и, как следствие, возникновению ограничения на синтез белков. Поэтому снижение активности аспартатами-нотрансферазы и аланинаминотрансферазы на поздних сроках голодания в печени крыс объясняется переключением метаболизма на использование в качестве источника энергии жирных кис-
УГЛЕВОДНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ
117
лот и кетоновых тел, синтез которых существенно увеличивается. Сходная картина наблюдается и у крыс, страдающих аллоксановым диабетом.
Увеличение концентрации ацетил-КоА (о чем свидетельствует повышение концентрации аце-тоацетата в печени) (табл. 1) инактивирует гликолиз. Печень и почки получают энергию посредством окисления жирных кислот. Клетки мышц также переключаются с использования глюкозы в качестве источника энергии на утилизацию жирных кислот, что останавливает трансформацию пирувата в ацетил-КоА (Лебкова, 2000). В результате пируват, лактат и аланин могут переноситься в печень и конвертироваться в глюкозу. Однако цикл Кребса не способен окислить все ацетильные группы, образующиеся при расщеплении жирных кислот, что способствует индукции ферментов глиоксилатного цикла - изоцит-ратлиазы и малатсинтазы (табл. 2), позволяющих использовать ацетил-КоА в глюконеогенетиче-ских процессах. До настоящего времени возможность транформации жиров в углеводы у млекопитающих отрицалась, однако работами, проведенными на кафедре физиологии и биохимии растений (ВГУ), впервые были выделены и очищены маркерные ферменты глиоксилатного цикла из печени голодающих крыс (Popov et al., 1996; Popov et al., 1998). Следовательно, печень с высокой активностью глиоксилатного цикла выполняет главную роль в регуляции липидного метаболизма, а также поддерживает работу других органов путем интенсификации глюконеогенеза и окисления жирных кислот.
Глиоксилатный цикл и дикарбоновая ветвь цикла Кребса играют ключевую роль в глюко-неогенетических трансформациях, обеспечивая необходимую концентрацию глюкозы в тканях при голодании и экспериментальном диабете. Вероятно, эти пути и обеспечивают наблюдавшийся ранее феномен ресинтеза гликогена печени на 4-е сут пищевой депривации (Лебкова, 2000). Так, при голодании и экспериментальном диабете активность ферментов цикла трикарбоновых кислот (сукцинатдегидрогеназы, малатдегидрогена-зы и аконитатгидратазы) в клетках печени увеличивается более чем в 2 раза (табл. 2). Ранее было показано, что при пищевой депривации интенсификация глюконеогенеза в почках объясняется тем, что именно в этих органах образуется до 50% общего количества глюкозы, поступающей в кровь (Лебкова, 2000). Ранее нами было показано, что в гепатоцитах при стрессовых состояниях увеличение активности аконитатгидратазы и ма-латдегидрогеназы связано с появлением их дополнительных изоформ и индукцией других ферментов глиоксилатного цикла (Епринцев и др., 2002; Попов и др., 2001). Пероксисомальная локализация индуцированных изоформ аконитатгид-ратазы и малатдегидрогеназы, а также синтез
de novo изоцитратлиазы и малатсинтазы обеспечивают ведущую роль глиоксилатного цикла в глюконеогенетических трансформациях. Эти изменения метаболизма обеспечивают мобилизацию запасного пула мал
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.