Энергетический обмен клетки в норме и патологии. Возможности его оценки
Нагорная Н.В. , Четверик Н.А. , Федорова А.А. , Куриленко Я.В.
Донецкий национальный медицинский университет им. М. Горького

Энергетический обмен, согласно современным представлениям, является совокупностью реакций окисления, протекающих во всех живых клетках [1–3, 13]. Его основная функция – обеспечение организма энергией в доступной для использования форме – аденозинтрифосфата (АТФ).

Энергия АТФ необходима для функционирования всех систем организма (сердечно-сосудистой, нервной, мышечной, терморегуляции и др.). Процессы гликолиза, глюконеогенеза, первичная клеточная защита, выработка антител, транспорт веществ через клеточные мембраны, поддержание гемоглобина в функционально активном состоянии невозможны без использования АТФ [1–3].

Следует отметить, что 95 % адениннуклеотидов, составляющих АТФ, содержатся в эритроцитах, не имеющих митохондрий. Синтез АТФ осуществляется в них путем гликолиза. В норме основной энергетический обмен происходит на мембранах митохондрий в ходе клеточного дыхания и окислительного фосфорилирования. Для функционирования внутримитохондриальной части процесса необходим кислород, поэтому в анаэробных условиях в клетках накапливается пируват. Избыток пирувата превращается в лактат, который диффундирует из клеток в кровяное русло [3, 17]. Концентрация лактата во внеклеточной жидкости составляет около 1 ммоль/л, отражая динамический процесс образования и потребления от 1200 до 1500 ммоль лактата в течение суток [14]. Лактат как продукт анаэробного гликолиза образуется в скелетных мышцах, кишечнике, мозге, коже и в эритроцитах. Интенсивные физические упражнения сопровождаются возрастанием продукции лактата в мышцах, достигая 10-кратного увеличения в сравнении с исходным состоянием покоя. Ресинтез глюкозы из лактата происходит в печени путем глюконеогенеза [18].

Энергия, образующаяся в результате окислительного фосфорилирования и гликолиза, неравноценна. Так, при гликолизе одной молекулы глюкозы образуется 16–20 ккал, а в процессе окислительного фосфорилирования – 304–380 ккал [3]. Гликолиз всегда сопровождается продукцией иона водорода, что приводит к ацидозу, вначале внутриклеточному, затем тканевому и, наконец, системному [15]. Однако при нормальном течении энергетического обмена функция клеток не нарушается и показатели кислотно-основного состояния крови остаются константными величинами.

Биохимическая и клиническая интерпретация уровня лактата в крови, на первый взгляд, выглядит достаточно просто: осуществляется только одна реакция – преобразование пирувата в лактат и наоборот [14]. Тем не менее открытие продукции лактата из глюкозы путем гликолиза, а также превращения лактата в глюкозу путем глюконеогенеза является одним из величайших достижений биохимии в ХХ веке [18]. Содержание лактата в плазме крови здоровых людей достаточно стабильно, возрастные и половые различия незначительны. Результаты определения этого метаболита в депротеинизированной крови дают более низкие показатели, чем в плазме крови [14]. У здоровых людей повышение уровня лактата обычно обусловлено физической нагрузкой, особенно после продолжительных мышечных тренировок. Наряду с указанным повышение уровня лактата наблюдается при ряде генетических заболеваний, вследствие несбалансированного питания (например, при недостатке тиамина) и у женщин в последнем триместре беременности [14, 18].

Основной причиной, ведущей к наиболее выраженным нарушениям процессов энергообеспечения, является гипоксия [2, 4, 5, 13], представляющая собой несоответствие энергопотребности клетки энергопродукции в системе митохондриального окислительного фосфорилирования [1, 2, 6, 7]. К ее развитию могут приводить различные причины, самыми распространенными из которых являются расстройства внешнего дыхания, нарушения кровообращения и микроциркуляции, изменения кислородтранспортной функции крови и др. [5, 8, 13].

При гипоксии снижается поступление кислорода в клетку и, как следствие, в митохондрии. В результате развивается нарушение митохондриального окисления, что приводит к разобщению сопряженного с ним фосфорилирования и, следовательно, вызывает прогрессирующий дефицит АТФ [13, 15]. В условиях энергодефицита клетка поддерживает собственные энергетические потребности за счет активации процессов анаэробного гликолиза, который частично компенсирует недостаток АТФ, однако быстро вызывает накопление лактата и развитие ацидоза. При этом активизируется протеолиз, усиливается внутриклеточный ацидоз, что, в свою очередь, вызывает повреждение цитомембран, сопровождающееся инициацией перекисного окисления липидов и накоплением в жидких средах его продуктов: малонового диальдегида, диеновых и триеновых конъюгат, гидроперекисей липидов, диенкетонов [6]. Результатом этого является деструкция клеточных мембран и разрушение клеток [9, 10].

Особенно чувствительны к гипоксии кардиомиоциты и нейроглия, так как митохондрии в этих клетках составляют до 30 % объема цитоплазмы [7].

Стандартные методы оценки внутриклеточных процессов (биопсия скелетных мышц, молекулярно-генетический анализ и др.) технически сложны, инвазивны и дорогостоящи, что ограничивает их использование, в частности, у детей. Преимущественным методом, который отражает состояние энергетического обмена клеток и тканей и коррелирует с морфологическими изменениями в биоптатах мышечной ткани, является цитохимический анализ ферментного статуса клеток периферической крови (лактатдегидрогеназы, участвующей в окислении L-лактата в пировиноградную кислоту, сукцинатдегидрогеназы и других ферментов, являющихся катализаторами цикла трикарбоновых кислот) [11].

Впервые возможность исследования уровня лактата в крови млекопитающих продемонстрировал Gaglio в 1886 году. Исследование занимало несколько дней и требовало около 200 мл крови животного. В 1940 г. Barker и Summerson существенно упростили методику, в дальнейшем эта работа была продолжена [11].

В настоящее время для исследования уровня лактата наиболее часто используют измерение скорости формирования НАДФ (переносчика электронов и протонов от органических субстратов к кислороду для образования АТФ) при окислении лактатоксидазой. Преимуществами данного метода являются несложность методики исследования, использование стабильных реагентов, высокая точность результатов, что делает возможным его проведение в условиях любой лаборатории [16].

В 1964 году Broder и Weil выявили корреляционную взаимосвязь уровня лактата крови с тяжестью шока. В ряде работ, выполненных за рубежом [9, 15–17], доказана роль уровня лактата крови у больных, находящихся в критическом состоянии, как показателя степени гипоксии тканей, в оценке эффективности терапии, как прогностического признака неблагоприятного исхода. Повышение уровня лактата наблюдается при шоке любой этиологии, анемии, астматическом статусе, сепсисе и других инфекциях, почечной недостаточности, врожденных метаболических нарушениях, отравлении монооксидом углерода и др. [15].

Повышение уровня лактата наблюдается при сердечной недостаточности (острой и хронической), коррелируя со степенью ее тяжести, при остром септическом эндокардите, полиомиелите, воспалительных заболеваниях сосудов, синдроме гипервентиляции и др. [18].

Представляют интерес данные о значении уровня лактата в качестве прогностического признака неблагоприятного исхода патологических процессов. Доказано [14–16], что повышение уровня лактата происходит раньше, чем изменения других показателей развивающегося шока (гипотония, олигурия, снижение рН и др.). Выявлена прямая корреляция между уровнем лактата крови у больных в критическом состоянии и показателем летальности. Javier Aduen et al. установлено, что повышение лактата до 2,7 ммоль/л не изменяло показателей летальности, при уровне 4,0 ммоль/л таковая достигала 50 %, а при 8 ммоль/л и более составляла 90 % [17]. Вместе с тем констатировано отсутствие подобной корреляции у новорожденных, перенесших асфиксию, уровень лактата в крови у которых превышал физиологические величины в 8–9 раз [14].

В отечественной литературе представлены результаты единичных исследований уровня лактата при патологических состояниях у детей. Так, С.Г. Иванусь и К.Д. Дука при обследовании детей с хроническими заболеваниями бронхолегочной системы выявили повышение активности лактатдегидрогеназы как показателя снижения интенсивности энергетического обмена и компенсаторной активации анаэробного гликолиза [11, 12].

А.В. Костенко с соавт. [19], изучая особенности прооксидантно-оксидантного баланса и энергетического метаболизма у 147 здоровых детей младшего школьного возраста, доказали зависимость уровня неспецифической резистентности организма как от показателей митохондриального окисления, так и от прооксидантно-оксидантной системы. У каждого пятого обследованного выявлено изменение клеточного метаболизма (показателя энергетического обмена) при нормальном состоянии антиоксидантной системы. Указанное подтверждает взаимную связь, но неравнозначность понятий «энергетический обмен» и «перекисное окисление липидов».

Таким образом, состояние энергетического обмена является важным показателем функционирования всех систем организма. Исследование уровня лактата в плазме крови и лактатдегидрогеназы в эритроцитах может использоваться в ранней (доклинической) диагностике заболеваний, для определения степени тяжести патологического процесса, в оценке эффективности профилактических и лечебно-реабилитационных мероприятий.

Литература

1. Ленинджер А. Основы биохимиии. – М.: Мир, 1985. – Т. 1. – 367 с.
2. Биохимия человека / Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. – М., 1993. – Т. 1-2. – 779 с. 
3. Брязгунов И.П. Длительные субфебрилитеты у детей (клиника, этиология, патогенез и лечение). – 2-е изд. – МИА, 2008. – 240 с.
4. Bjelakovic G., Jevtovik T., Stojanovik I. et al. Biochemтical study of hematological diseases in childhood // Jugoslav. Med. Biohem. – 2003. – 22. – Р. 141-149. 
5. Илларионов М.Ю. Биохимические процессы, лежащие в основе свободнорадикального окисления, механизмы антирадикальной защиты, оценка их эффективности у онкологических больных. http://www.medlinks.ru
6. Поздняков А.А. Ранняя диагностика гипоксического поражения ЦНС у новорожденных. http://www.vsma.ac.ru/publ/vest/011/09.doc
7. Horowitz J., Frenneaux M. Metabolic manipulation in ischaemic heart disease, a novel approach to treatment // Eur. Heart J. – 2004. – 25(8). – 634-641. 
8. Подколзин А.А., Мегреладзе А.Г., Донцов В.И., Арутюнов С.Д., Мрикаева О.М., Жукова Е.А. Система антиоксидантной защиты организма и старение. http://medi.ru
9. Ruuge E.K., Ledenev A.N., Lakomkin V.L., Konstantinov A.A., Ksenzenko M.Yu. Free radical metabolites in myocardium during ishemia and reperfusion // American Journal of Physiology. – 1991. – 261. – P. 81-86.
10. Nohl H. A novel superoxide radical generator in heart mitochondria // FEBS Letters. – 1993. – 214. – P. 268-273.
11. Іванусь С.Г., Дука К.Д. Діагностика мітохондріальної дисфункції у дітей з хронічними бронхолегеневими захворюваннями // Таврический медико-биологический вестник. – 2008. – Т. 11. – С. 85.
12. Іванусь С.Г., Дука К.Д. Стан енергетичного обміну у дітей з хронічними захворюваннями бронхолегеневої системи // Таврический медико-биологический вестник – 2008. – Т. 11. – С. 84-85.
13. Кравцова Л.А., Школьникова М.А., Калинин Л.А. Антигипоксанты в практике детского кардиолога-аритмолога: Метод. Рекомендации. – М., 2008. – 24 с.
14. Челноков С.Б., Пудина Н.А. Уровень лактата крови у новорожденных, рожденных в асфиксии // Мат-лы 1-го Российского конгресса по детской анестезиологии и реаниматологии. – М., 2001. – С. 321-322.
15. James A. Kruse. Understanding Blood Lactate Analysis // The Journal for Respiratory Care Practitioners. – 1995. – 63-69.
16. John Toffaletti. Elevations in blood lactate: Overview of use in critical care // Scand. J. Clin. Lab. Invest. – 1996. – 56, Suppl. 224. – 107-110.
17. Javier Aduen et al. The Use and Clinical Importance of a Substrate-Specific Electrode for Rapid Determination of Blood Lactate Concentrations // JAMA. – 1994 December 7. – Vol. 272, № 21.
18. Торшин В.А. Уровень лактата в крови как показатель STAT-анализа // Лаборатория. – 2001. – № 4. – С. 17-19.
19. Костенко А.В., Несвітайлова К.В., Квашніна Л.В., Матвійчук В.В. Особливості оксидантно-прооксидантного балансу та енергетичного метаболізму у здорових дітей молодшого шкільного віку // Современная педиатрия. – 2007. – № 4. – С. 148-152.  
Опубликовано в журнале «Здоровье ребенка», 6(15) 2008 / В помощь педиатру