Сердце, логотип
www.CARDIOGENES.dp.ua
строение и развитие сердечно-сосудистой системы
Кардиогенез :: Формирование метаболической гетерогенности миокарда...…
 
Гетерогенность миокарда и ее развитие в нормальном кардиомиогенезе (монография), Днепропетровск, 1996
Твердохлеб И.В. Гетерогенность миокарда и ее развитие в нормальном кардиомиогенезе. Днепропетровск, 1996
с.143
[ ⇐ назад | вперед ⇒ ]

Глава 4 Формирование метаболической гетерогенности миокарда

Рис. 106. Распределение активности фосфофруктокиназы (А) и лактатдегидрогеназы (Б)
Рис. 106. Распределение активности фосфофруктокиназы (А) и лактатдегидрогеназы (Б) на срезах миокарда левого желудочка сердца крысы, фиксированного в состоянии диастолы. Гистохимическая реакция на фосфофруктокиказу и на лактатдегидрогеназу по Lojda. Ок.10, об.90.

После того, как морфологически выявляемая гетерогенность сократительных кардиомиоцитов привлекла внимание многих исследователей миокарда в условиях его нормального развития и при различных патологических состояниях, появился ряд работ, посвященных анализу функциональных основ существования указанной гетерогенности. В частности, большой интерес вызвали различные аспекты энергетического метаболизма миокарда, так как именно энергетический обмен сократительных клеток во многом обусловливает проявления важнейших структурных различий между отдельными сердечными миоцитами и способствует их объединению в определенные структурно-функциональные сообщества. В предыдущих разделах данной главы были изложены современные научные сведения о характере гетерогенности сократительного, митохондриального и секреторного аппаратов кардиомиоцитов; в настоящем разделе представлены данные литературы о важнейших метаболических циклах, обеспечивающих функционирование указанных аппаратов кардиомиоцитов в зрелом миокарде, а также на этапах онтогенетического развития.

Рис. 107. Прослойки соединительной ткани, разделяющие клеточные комплексы
Рис. 107. Прослойки соединительной ткани, разделяющие клеточные комплексы с умеренной и высокой ферментативной активностью в состоянии систолы. Миокард правого желудочка зрелой крысы. Гистохимическая реакция на лактатдегидрогеназу

В настоящее время является отчетливо установленным тот факт, что процессы дифференцировки и морфогенеза наиболее тесно связаны с механизмами специфического белкового синтеза, которые, помимо насыщения саркоплазмы кардиомиоцитов сократительными структурами, связаны с индукцией тех ферментов, которые определяют метаболический профиль клеточной популяции (Brachet. 1960).

В качестве одного из наиболее важных метаболических циклов, обеспечивающих внутриклеточные энергоемкие процессы в саркоплазме кардиомиоцитов, выступает цикл трикарбоновых кислот (Е.В.Парина, 1970). Характерно, что в раннем эмбриональном развитии миокарда активность ведущих ферментов данного цикла имеет весьма небольшие величины (Diculescu et al., 1969; Beckett et al. 1972), однако на протяжении эмбриогенеза происходит закономерное нарастание активности изоцитратдегидрогеназы, пируватдегидрогеназы и цитратсинтазы в сердце кролика (Bhavhani et al.. 1990), НАД-зависимой малатдегидрогеназы в миокарде рыб (А.С.Чихачев, 1983), сукцинатдегидрогеназы в миокарде крыс (Hiki et al., 1988) и мышей (Coleman et al., 1988). Активность СДГ и цитохром-оксидазная активность в сердце крысиного эмбриона (Taylor. 1993). а также потребление кислорода в сердце эмбрионов кур (Raddafz et al.. 1992) начинают нарастать еще с 10.5 сут эмбриогенеза.

Рис. 108. Распределение активности фосфофруктокиназы на продольном срезе миокарда правого желудочка
Рис. 108. Распределение активности фосфофруктокиназы на продольном срезе миокарда правого желудочка сердца крысы, фиксированного в состоянии систолы. Гистохимическая реакция на фосфофруктокиназу по Lojda. Ок.10, о6.40.

По данным Д.Ф.Чеботарева с сотрудниками (1967). у новорожденных и молодых млекопитающих интенсивность цикла Кребса максимальна, однако уже через 12 месяцев жизни активность СДГ в миокарде крыс снижалась на 20-22%. В опытах на новорожденных крысах наиболее выраженная интенсивность окислительных реакций наблюдалась у крысят на 2-4-й неделе жизни (Hecht, 1971).

По мнению Walpurger (1967) и Л.М.Непомнящих с соавторами (1972), наблюдаемая закономерность связана, в первую очередь, с синхронизацией морфо-биохимической дифференцировки митохондрий и функционально сопряженных с ними миофибрилл.

В серии работ, посвященных гистохимическому изучению активности сукцинатдегидрогеназы - ключевого фермента цикла Кребса - установлена общая закономерность, заключающаяся в постепенном снижении активности фермента по мере увеличения возраста экспериментальных животных (Н.К.Джандиери, 1979; А.П.Амвросьев и др., 1990). Тем не менее, Coleman с соавторами (1988) не выявили снижения активности СДТ в миокарде мышей с 6-го по 27-й месяц жизни.

Рис. 109. Распределение активности фосфофруктокиназы на поперечном срезе миокарда правого желудочка
Рис. 109. Распределение активности фосфофруктокиназы на поперечном срезе миокарда правого желудочка сердца крысы, фиксированного в состоянии систолы. Гистохимическая реакция на фосфофруктокиназу по Lojda. Ок.10, об.40.

По мере созревания овец в миокарде установлено снижение цитоплазматического фосфата (Portman et al., 1990), что связывают с возможностями внутриклеточного фосфорилирования и выраженной зависимостью от регуляции клеточного дыхания. В качестве одного из возможных регулирующих механизмов рассматривают соотношение между матричными РНК, ответственными за синтез длинных и средних цепей в составе белковой молекулы дегидрогеназы ацетил-коэнзима A (Halnline et al., 1993).

Рис. 110. Клетки с резко сниженной гликолитической активностью в составе мышечных волокон миокарда
Рис. 110. Клетки с резко сниженной гликоли-тической активностью в составе мышечных волокон миокарда левого желудочка сердца зрелой крысы, фиксированного в состоянии систолы. Гистохимическая реакция на фосфофруктокиназу по Lojda. Ок.15, об.90.

Снижение концентрации митохондрий в стареющем сердце крыс связывают со снижением количества мРНК цитохрома с, то есть с частичной репрессией генов дыхательных ферментов (Biggs, 1990).

Большое внимание исследователей вызвали сдвиги интенсивности цикла трикарбоновых кислот в условиях различных патологических состояний и при фармакологических воздействиях. Так, при моделировании ишемической болезни сердца у кроликов были определены соотношения между ферментативными активностями сукцинат- и малатдегидрогеназы, а также между уровнем основных метаболитов цикла Кребса — пировиноградной и молочной кислотами (В.Г.Бардов и др., 1993). В условиях экспериментальной гиперхолестеринемии миокард кроликов обладал способностью координированно увеличивать Са2+-и Mg2+-активируемую АТФазную активность в цитоплазма-тической фракции (Г.В.Чернышева и др., 1980). Характерные адаптивные изменения уровня макрозргических фосфатов изучены при блокаде и стимуляции адренорецепторов в миокарде кроликов (И.С.Чекман, 1973), при экспериментальном инфаркте миокарда у собак (А.И.Хомазюк и др., 1978; 1979), под воздействием этимизола на нейрогенно поврежденный миокард крыс (В.П.Новиков, 1981).

Рис. 111. Участок миокарда левого желудочка зрелой крысы. Серийные срезы.
Рис. 111. Участок миокарда левого желудочка зрелой крысы. Серийные срезы. А - гистохимическая реакция на фосфофруктокиназу по Lojda. Ок.10, об.40. Б-Г - фрагменты миокарда, заключенные в рамки на рисунке 4.7-А. Ок.15, об.90.

В единичных экспериментальных работах предприняты попытки анализа взаимосвязи между морфологическими и метаболическим сдвигами в миокарде, обусловленными как патологическими состояниями, так и протеканием нормальных онтогенетических преобразований (Н.Ф.Гусакова и др.. 1986; А.А.Мойбенко и др., 1980; Н.И.Ковальская, 1973; Р.А.Дробышева и др., 1978).

Анализ гликолитических процессов в миокарде показал, что на этапах постнатального онтогенеза млекопитающих гликолитическая активность закономерно снижается с возрастом (Е.В.Ларина, 1970; П.А.Калиман и др., 1977). Согласно данным Б.О.Брайм (1985). на протяжении первого года жизни в миокарде крыс суммарная активность лактатдегидрогеназы возрастает более чем в 1.5 раза. При этом электрофоретическое определение изоферментного спектра показало закономерное нарастание активности аэробных фракций с одновременным угнетением неокислительных изоферментов в составе общей лактатдегидрогеназной активности.

При определении активности важнейших гликолитических ферментов в различных тканях экспериментальных животных на этапах онтогенетического развития было показано, что в ходе клеточной дифференцировки первоначальное угнетение гликолитической активности, направленное на формирование дефинитивного метаболического профиля клеток в составе ткани, закономерно сменяется нарастанием активности гликолитических ферментов (Datta et al., 1987), причем указанное нарастание обеспечивается, как правило, за счет "мышечных" изоформ. Эта же закономерность характерна также для развивающегося миокарда (Л.Н.Богацкая и др., 1975) и для "стареющего" сердца млекопитающих (Johnson et al., 1993).

Рис. 111. (Продолжение). Д - гистохимическая реакция на сукцинатдегидрогеназу по Barman.
Рис. 111. (Продолжение). Д - гистохимическая реакция на сукцинатдегидрогеназу по Barman. Ок.10, об.90. Е-Ж - фрагменты миокарда, заключенные в рамки на рисунке 4.7-Г. Ок.15, об.90.

Решению вопроса о функциональной роли каждой из 5 фракций ЛДГ посвящено фундаментальное исследование Rider с сотрудниками (1980). которые показали, что направление катализируемой лактатдегидрогеназой реакции "пируват - лактат" определяется соотношением количества Н- и М-субъединиц в составе фермента, причем Н(heart)-субъединицы обусловливают утилизацию молочной кислоты с образованием пировиноградной кислоты. Важно, что указанное направление гликолитической реакции, осуществляемое с потреблением кислорода, является гораздо более продуктивным в отношении образования энергии, чем обратная реакция с образованием лак-тата. Согласно современным представлениям, в сердце животных преобладает активность Н-субъединиц в составе изоферментной фракции ЛДГ-1 и ЛДГ-2 (Л.И.Корочкин, 1976; Bochinsky, 1983), что свидетельствует об относительной интенсификации аэробного гликолиза в метаболическом профиле дефинитивных кардиомиоцитов (В.И.Махинько, Е.В.Лизогубец. 1983).

По мнению Kaplan с соавт. (1968), изоферментный спектр лактатдегидрогеназы в значительной мере зависит от кислородного режима в ткани миокарда. Это предположение подтверждается, в частности, результатами экспериментов по исследованию метаболизма сердечной мышцы в условиях искусственной ишемии миокарда, обусловленной введением изопротеренола (Hecht 1971). В соответствии с указанными результатами снижение содержания кислорода приводит к резкому изменению изоферментного спектра ЛДГ, в котором преобладают анаэробные изомолекулярные формы ЛДГ-4 и ЛДГ-5.

Рис. 112. Клетки со сниженной активностью изоцитратдегидрогеназы в составе мышечных волокон миокарда
Рис. 112. Клетки со сниженной активностью изоцитратдегидрогеназы в составе мышечных волокон миокарда левого желудочка сердца зрелой крысы, фиксированного в состоянии диастолы. Гистохимическая реакция по Barman. Ок.15, об.40.

В исследованиях Л.Н.Богацкой с сотр. (1975) по изучению возрастных особенностей состояния гликолиза отчетливо показано, что на поздних этапах онтогенеза наряду с нарастанием суммарной активности ЛДГ происходит существенное увеличение удельной активности анаэробных фракций. По мнению авторов, наблюдаемое явление соответствует адаптации к усиливающейся при старении гипоксии, в то время как сохранение изоферментов ЛДГ-1 и ЛДГ-2 необходимо для осуществления обмена в обычных (неаварийных) условиях функционирования "старого сердца".

Существенные уточнения в представлении о роли изоферментных преобразований лактатдегидрогеназы в миогенезе были внесены в экспериментальных работах Leberer с сотрудниками (1984), которые показали, что "мышечные" субъединицы определяют принадлежность различных видов волокон к тому или иному классу.

Рис. 113. Равномерное распределение активности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы на поперечном срезе
Рис. 113. Равномерное распределение активности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы на поперечном срезе мышечных пучков миокарда левого желудочка сердца крысы, фиксированного в состоянии систолы. Гистохимическая реакция в гелевой среде по Lojda. Ок.15, 06.90.

При изучении реакций полиферментного комплекса в составе гликолитического цикла при моделированных патологических процессах и при введении различных фармакологических агентов в миокарде экспериментальных животных обнаруживались сдвиги, свидетельствующие как о генерализованном ответе углеводного обмена на изменяющиеся условия функционирования миокарда (Н.А.Новикова и др., 1975), так и о появлении мозаичности в гистохимическом распределении активности изучаемых ферментов (Л.М.Непомнящих и др., 1981, 1989).

Важная адаптивная роль в обеспечении сложных онтогенетических преобразований метаболического профиля миокарда в кардиогенезе млекопитающих, а также при различных экзогенных влияниях принадлежит энергообразующим процессам, которые непосредственно связаны с обменом гликогена (Л.П.Ермолаева, 1987; Exton, 1972). Было показано, в частности, что на этапах раннего эмбриогенеза крыс (А.А.Жирнова, 1972), кролика (Г.В.Чернышова и др., 1977) и человека (Noll et al., 1936) запасы гликогена, с одной стороны, и его участие в поддержании энергетического гомеостаза ткани миокарда (с другой стороны) имеют определяющее значение в тех характерных реакциях на изменяющиеся условия внеклеточного окружения, которые способны обеспечивать адекватную сократительную функцию сердечной мышцы.

Рис.114. Соотношение активности фосфофруктокиназы (ФФК), аэробных (ЛДГ-Н) и анаэробных форм ЛДГ-М)
Рис.114. Соотношение активности фосфофруктокиназы (ФФК), аэробных (ЛДГ-Н) и анаэробных форм ЛДГ-М) лактатдегидрогеназы в миокарде различных зон сердечной стенки и отделов сердца человека на 40-й неделе внутриутробного развития. СЭП - субэпикардиальная зона; ИМЗ - интрамуральная зона; СЭН - субэндокарднальная зона; ЛЖ и ПЖ - левый и правый желудочки: ЛП и ПП - левое и правое предсердия; МЖП и МПП - межжелудочковая и межпредсердная перегородки.

При биохимическом анализе онтогенетических сдвигов фосфорилазной и глюкозо-6-фосфатазной активности миокарда крысы была показан определенная энергетическая автономность сердца, то есть незначительная регуляторная роль нервной системы и гуморального компонента (С.П.Львова, 1985). На основании этого автор выдвинула и обосновала концепцию о том, что гликоген является своеобразным энергетическим буфером, который на этапах раннего эмбрионального развития млекопитающих определенным образом сглаживает энергетический "диссонанс" между возрастающими энергетическими потребностями миофибриллярного аппарата и отстающим уровнем дифференцировки аппарата митохондрий. В последующем роль гликогена как депо энергии существенно снижается.

Рис. 115. Соотношение активности аэробных (ЛДГ-Н) и анаэробных форм (ЛДГ-М) лактатдегидрогеназы
Рис. 115. Соотношение активности аэробных (ЛДГ-Н) и анаэробных форм (ЛДГ-М) лактатдегидрогеназы в миокарде различных зон сердечной стенки и отделов сердца зрелой крысы. С - систола; Д - диастола. СЭП - субэпикардиальная зона; ИМЗ - интрамуральная зона; СЭН - субэн-докардиальная зона; ЛЖ и ПЖ - левый и правый желудочки; ЛП и ПП - левое и правое предсердия; МЖП и МПП - межжелудочковая и межпредсердная перегородки.

Существенная связь протекания гликоген-обменных реакций в раннем онтогенезе была установлена по отношению к процессам трансаминирования аланина и аспартата (Asotra, 1984); обнаруженное увеличение активности глюкозо-6-фосфатазы в развивающейся мышечной ткани куринных эмбрионов является, возможно, индуктором ускорения окислительного метаболизма. Интерес представляет, в частности, тот факт, что отдельные мышечные волокна вступали в определенные конкурентные субстратзависимые взаимоотношения, определяя выраженный гетерогенитет мышечной ткани.

С помощью нового микрометода измерения активности глюкозо-6-фосфатазы была определена онтогенетическая динамика нарастания интенсивности углеводного обмена в тканях плодов человека (Siapson et al., 1987) начиная с 7,5 недель эмбрионального развития. Было установлено, в частности, что на протяжении первого триместра беременности активности глюкозо-6-фосфатазы составляла около 1/3 активности в раннем перинатальном периоде, однако авторы не уточняли характера изменений гликолитических процессов в эмбриональном миокарде человека.

Рис.116. Соотношение активности фосфофруктокиназы (ФФК) в миокарде различных зон сердечной стенки
Рис.116. Соотношение активности фосфофруктокиназы (ФФК) в миокарде различных зон сердечной стенки и отделов сердца зрелой крысы. С -систола (верхний ряд); Д - диастола (нижний ряд). СЭП - субэпикардиальная зона; ИМЗ -интрамуральная зона; СЭН - субэндокардиальная зона; ЛЖ и ПЖ - левый и правый желудочки; ЛП и ПП - левое и правое предсердия; МЖП и МПП - межжелудочковая и межп-редсердная перегородки.

Ряд работ посвящен изучению процессов гликогенолиза и глюконеогенеза при различных экспериментальных моделях патологических состояний. В исследовании Н.П.Долговой (1980) для анализа указанных процессов был использован оригинальный подход, который предусматривал изучение активности ферментов по "отношению действующих масс", то есть по отношению концентраций продуктов реакций к концентрациям соответствующих субстратов.

Наряду с гликолизом, гликогенолизом, глюконеогенезом и циклом Кребса, важную роль в энергообеспечении клетки играют реакции пентозо-фосфатного пути, сущность которых заключается в восстановлении НАДФ. необходимого для липогенеза (В.Л.Кретович, 1974). Указанные реакции являются уникальными внутриклеточными поставщиками пентоз, которые используются клеткой для синтеза нуклеотидов (Б.И.Курганов, 1986). Учитывая эти особенности, представляются вполне закономерными результаты биохимических исследований по изучению интенсивности пентозо-фосфатного цикла в органах, различающихся по потребности в нуклеотидном материале: наивысшая активность дегидрогеназ пентозо-фосфатного шунта обнаружена в ткани регенерирующей печени крыс (Е.Ф.Лушников, 1970), в почках молодых мышей (Altman, 1972).

Рис. 117. Соотношение активности сукцинатдегидрогеназы (СДГ) и изоцитратдегидрогеназы (ИЦДГ)
Рис. 117. Соотношение активности сукцинатдегидрогеназы (СДГ) и изоцитратдегидрогеназы (ИЦДГ) в миокарде различных зон сердечной стенки и отделов сердца человека на 40-й неделе внутриутробного развития. СЭП - субэпикардиальная зона; ИМЗ - интрамуральная зона; СЭН -субэндокардиальная зона; ЛЖ и ПЖ - левый и правый желудочки; ЛП и ПП - левое и правое предсердия; МЖП и МПП - межжелудочковая и межпредсердная перегородки.

В исследованиях Wang (1968) установлено, что в ткани миокарда развивающегося цыпленка в эмбриогенезе происходит снижение активности ферментов пентозо-фосфатного цикла. В миокарде зрелых крыс, мышей и кроликов интенсивность реакций пентозного цикла невелика (А.А.Нейфах, М.Я.Тимофеева и др., 1977; Cannon et al.. 1980). По мнению авторов, это обстоятельство обусловлено несущественными потребностями дифференцированных кардиомиоцитов в нуклеотидном материале, а также относительно низким уровнем липидного обмена в мышечной ткани.

Рис. 118. Соотношение активности сукцикатдегидрогеназы (СДГ) и изоцитратдегидрогеназы (ИЦДГ)
Рис. 118. Соотношение активности сукцикатдегидрогеназы (СДГ) и изоцитратдегидрогеназы (ИЦДГ) в миокарде различных зон сердечной стенки и отделов сердца зрелой крысы. СЭП - субэпикардиальная зона; ИМЗ - интрамуральная зона; СЭН - субэндокардиальная зона; ЛЖ и ПЖ -левый и правый желудочки; ЛП и ПП - левое и правое предсердия; МЖП и МПП - межжелудочковая и межпредсердная перегородки.

В противоположность этой точке зрения, при изучении метаболизма зрелого миокарда была определена важная роль метаболизма липидов в энергетическом обеспечении сократительного аппарата кардиомиоцитов (Lopaschuk et al., 1992); при этом жирные кислоты повышали потребление кислорода в миокарде не через первичный эффект на энергетическое состояние клетки (то есть снижение соотношения неорганического фосфора к кислороду), а благодаря увеличению общей термодинамической энергии (Hassinen et al., 1990).

Было показано, что существенная роль липидов в энергетическом метаболизме кардиомиоцитов обусловлена специфическими свойствами АТФ-зависимого транспорта некоторых липидных компонентов (фосфатидилсерина, фосфатидилэтаноламина и фосфатидилирина) из мест их синтеза в митохондрии (Voelker, 1991). При этом важная роль отводится функционированию аппарата Гольджи, ответственного за массовый перенос белков к клеточной поверхности; везикулы, возвращающие липидные компоненты от клеточной поверхности, существенным образом отличаются от тех, которые переносят синтезированные сфингопротеиды к клеточной поверхности.

Рис.119. Соотношение активности фосфофруктокиназы (ФФК), аэробных (ЛДГ-Н) и анаэробных форм (ЛДГ-М)
Рис.119. Соотношение активности фосфофруктокиназы (ФФК), аэробных (ЛДГ-Н) и анаэробных форм (ЛДГ-М) лактатдегидрогеназы в миокарде различных зон сердечной стенки и отделов сердца человека на этапах онтогенеза. СЭП -субэпикардиальная зона; ИМЗ - интрэмураль-ная зона: СЭН - субэндокардиальная зона; ЛЖ и ПЖ - левый и правый желудочки; ЛП и ПП -левое и правое предсердия; МЖП и МПП -межжелудочковая и межпредсердная перегородки.

При радиоавтографическом изучении метаболического пути липидов в миокарде зрелых крыс обнаружены существенные топологические различия в накоплении 3Н-пальмитиновой кислоты в предсердном и желудочковом отделах (Gotoh, 1983). При изучении распределения липидов и гликозаминогликанов в различных участках миокарда человека в возрасте 27-60 лет было обнаружено, что наиболее усиленное гистохимическое выявление данных классов соединений определяется именно в тех участках, которые испытывают выраженный дефицит кислорода (Madjarova et al., 1982).

В экспериментах на голодающих мышах показано, что окисление жирных кислот, сниженное в различной степени, в существенной мере зависит от ингибирования митохондриальных процессов (Jacob, 1987). Анализ обмена липидов при экспериментальном стенозе аорты выявил существенную зависимость уровня липидного метаболизма от содержания адениннуклеотидов и их соотношения (АТФ/АДФ; АДФ/АМФ) в сердечной мышце (А.А.Абидов и др., 1973).

Далее — [В условиях старения организма процессы липидного обмена..].

Поддержка
 © 2008-2015 Cardiogenes.dp.ua
© обработка Dr. Andy  
Key words: heart, cardiogenesis, cardiac development. Ключевые слова: сердце, кардиогенез, гистогенез миокарда эндокарда эпикарда, ангиогенез, развитие сердечно-сосудистой системы, васкулогенез, эмбриология, теоретическая кардиология, врожденные пороки сердца, струны сердца. Миокард человека и животных, наука, медицина, ветеринария, сердце.
Rambler's Top100 li MyCounter