Переключение между аэробным и анаэробным окислением
Эффект Пастера — это способность метаболизма переключаться между аэробным и анаэробным окислением без какого-либо дополнительного вмешательства.
Эффект Пастера
Этот эффект подразумевает снижение потребления глюкозы и прекращение продукции молочной кислоты клеткой в присутствии кислорода. Биохимический механизм эффекта заключается в конкуренции за пируват между пируватдегидрогеназой, превращающей пируват в ацетил-S-КоА, и лактатдегидрогеназой, превращающей пируват в лактат.
У пируватдегидрогеназы сродство гораздо выше и в обычных аэробных условиях она окисляет большую часть пировиноградной кислоты. Как только поступление кислорода уменьшается (недостаток кровообращения, тромбоз и т. п.) происходит следующее:
- внутримитохондриальные процессы дыхания не идут и НАДН в дыхательной цепи не окисляется;
- моментально накапливающийся в митохондриях НАДН тормозит цикл трикарбоновых кислот;
- ацетил-S-КоА не входит в ЦТК и ингибирует ПВК-дегидрогеназу.
В этой ситуации пировиноградной кислоте не остается ничего иного как превращаться в молочную.
При наличии кислорода ингибирование ПВК-дегидрогеназы прекращается и она, обладая большим сродством к пирувату, выигрывает конкуренцию.
Отличной иллюстрацией к сказанному служит чувствительность миокарда и нейронов к недостатку кислорода.
Роль лактатдегидрогеназы в клетке
В норме работу клеток нервной системы и миокарда при аэробных условиях обеспечивает большое количество митохондрий и поступление из крови субстратов для окисления — глюкозы, кетоновых тел, жирных кислот (только для миокарда), лактата, превращегося в пируват.
В основе высокой чувствительности этих органов к отсутствию кислорода лежит отличие изоферментов лактатдегидрогеназы (ЛДГ) друг от друга. Сердечный изофермент ЛДГ-1, обладая высоким сродством к молочной кислоте, переводит ее в пировиноградную, «стремясь» поднять концентрацию пирувата с целью его включения в цикл трикарбоновых кислот (только в аэробных условиях) и получения энергии для сокращения миокардиоцита.
При нехватке кислорода свойства ЛДГ-1 не изменятся, он по-прежнему будет сдвигать реакцию в сторону продукции пировиноградной кислоты («справа-налево»). Однако без кислорода «сгореть» в ЦТК пируват не может и выйти из клетки тоже не может, так как клеточные мембраны непроницаемы для него. Являясь кислотой, он закисляет цитозоль, изменяя активность ферментов и, возможно, как-то еще проявляет токсичность. Таким образом происходят необратимые повреждения кардиомиоцита и нейрона.
В тоже время изофермент скелетной мышцы ЛДГ-5 обладает высоким сродством к пирувату, при отсутствии кислорода в клетке быстро и эффективно превращает его в молочную кислоту, обратная же реакция практически не идет. Закисление саркоплазмы снижает работоспособность миоцита, но молочная кислота не накапливается — она легко проходит через клеточные мембраны и быстро удаляется из мышцы. Скелетная мышца вновь становится работоспособной.
Таким образом, в анаэробных условиях сильнее всего будут страдать сердечная мышца и нервная система, что, собственно говоря, и наблюдается в медицинской практике.