Энергообмен и его регуляция

1.

Энергообмен и его регуляция

2.

Макроэрги – соединения, при гидролизе которых ∆Gº<-5 ккал/моль
O
NH2
N
N
3'-Фосфоаденозин5'-фосфосульфат
O
O
O
N
HN
N
HO-P-O-P-O-P-OCH2 O
H
OH OH OH H
H
H
OH OH
O
O
O
N
O
HO-P-O-P-O-P-OCH2
O
H
OH OH OH H
H
H
OH OH
Уридинтрифосфат
Аденозинтрифосфат
NH2
NH2
HN
O
Аминоацил-АМФ
O
N
N
H2 N N
HO-P-O-P-O-P-OCH2
O
H
OH OH OH H
H
H
OH OH
N
O
O
OH
O
O
O
N
HO-P-O-P-O-P-OCH2
O
H
H
OH OH OH
H
H
OH OH
Гуанозинтрифосфат
O
HO-P-O-CH2
OH
CH-OH
O
HO-P-O-C O
УДФ-глюкоза
ЦДФ-холин
Цитидинтрифосфат
NH
O
HO-P-O-NH-C
CH3
O
HO-P-O-C
OH
C=O
OH
1,3-Дифосфоглицерат Фосфоенолпируват
OH
N-CH3
CH2
O=C
O
CH3 -C-S-CoA
OH
Креатинфосфат
Ацетил-CoA

3.

Цикл Кребса
H3 C-C-S-CoA
CoA-SH
Ацетил-CoA
НАД.H
НАД+
CH2 -COOH
HO-C-COOH
O=C-COOH
CH2 -COOH
CH2 -COOH
Цитрат
Оксалоацетат
CH2 -COOH
HC-COOH
HO-CH-COOH
CH2 -COOH
HO-CH-COOH
Изоцитрат
Малат
H2 O
CH2 -COOH
CH2
CH-COOH
CH-COOH
Фумарат
ФАД
CoA-SH
CH2 -COOH
CH2 -C-S-CoA
O
CH2 -COOH
CH2 -COOH
Сукцинат
CO2
O=C-COOH
CoA-SH
ФАД.H2
НАД+
НАД. H
Кетоглутарат
НАД+
НАД.H
Сукцинил-CoA
CO2
ГТФ ГДФ
Гликолиз + цикл Кребса + окислительное фосфорилирование до 38 моль АТФ

4.

НАД и НАДФ (место фосфорилирования указано стрелкой)
NH2
H2 N-C
O
N
N
N+
O
O
N
N
H C-O-P-O-P-OCH2
O
O 2
H
H
OH OH
H
H
OH OH
OH OH
Никотинамидадениндинуклеотид
Преобладающими субстратами для образования АТФ в митохондриях служат – НАДН и отчасти - НАДФН
Разность в величинах свободной энергии исходных и
конечных продуктов служит движущей силой реакций
Многоэтапность – каскад небольших изменений
энергии вместо лавинообразного энергетического обвала
- принцип квантования энергии

5.

Цепь переноса электронов, фосфорилирование
межмембранное
пространство
H+
H+
H+
H+
Cyt c
внутренняя
мембрана
митохондрии
Q
НАДH
НАД
2H++1/2O2
матрикс
H2O
АДФ
АТФ
H+
цепь переноса электронов
АТФ-синтаза
Внутренняя часть
митохондрии

6.

Общая схема работы АТФ-синтазы (А) и перемещения протонов (вид изнутри
митохондрии) (Б)
Б
А
a
c
цитоплазма
1 оборот ротора – перемещение 10-15 протонов с образованием
до 3 молекул АТФ. Скорость вращения - до 150 об/мин

7.

Для диффузного обмена нуклеотидами между АТАазми и АТФ-синтазой
требуются значительные концентрационные градиенты, что могло бы снижать
кинетическую и термодинамическую эффективность транспорта энергии в клетке
-∆H
Синтез
АТФ
[АТФ]
[АДФ] [Pi] [H+]
-∆G1 (АТФ)
[АТФ]
[АДФ] [Pi] [H+]
АТФазы
-∆G2 (АТФ)
-∆G1 (АТФ)>>> -∆G2 (АТФ)
Скорость доставки АТФ от места образования до места потребления и возвращения
продуктов гидролиза (АДФ, Ф и Н+) к месту биосинтеза должна быть сопоставима
со скоростью гидролиза

8.

Принцип векторного лигандного проведения –
создание цепи быстро уравновешивающихся реакций.
Распространение «волны потока» АТФ.
CK – креатинкиназа ( М-СК, В-СК, S-MtCK, U-MtCK);
AK – аденилаткиназа (AK1, AK2, AK3, AK4, AK5)
митохондрия
митохондрия
креатин + АТФ
АДФ + креатин-Ф
CK
АМФ + АТФ
CK
креатин + АТФ
потребители
АДФ + АДФ
AK
AK
АМФ + АТФ
потребители
Скелетная мышца, мозг,
сперматозоиды
Градиенты концентраций лигандов - минимальны, т.е. в различных частях клетки уровень АТФ
приблизительно одинаков.

9.

Нуклеозиддифосфаткиназа (NDPK) в обеспечении необходимого уровня ГТФ
в клеточном ядре и цитоплазме. AK – аденилаткиназа; CK - креатинкиназа

10.

Интегральные показатели энергообмена

11.

Потребление и расходование пищевых продуктов
Потребление
пищи
Окисление
Тепло
Запасание
Работа
Физиологическая
Физическая

12.

Методами прямой и непрямой (по газообмену) калориметрии, а также путем измерения
теплотворной способности продуктов питания и экскрементов установлены соотношения
между количеством и типом потребляемых продуктов, расходом О2 и образованием СО2 при
различных формах активности целого организма
Регистрация теплообмена
Регистрация газообмена и выделения H2O

13.

Энергетическая ценность питательных веществ
Вещество
Окисление 1 г вещества
энергия, ккал потребление O2, л
Углеводы
Жиры
Белки
4,1
9,3
4,1
0,83
2,0
0,97
Калорический
эквивалент O2,
ккал/л
5,0
4,7
4,6
Дыхательный
коэффициент
(CO2/O2)
1,0
0,7
0,8

14.

Энергообмен человека
Характер деятельности
Покой (основной обмен)
Сидение
Стояние
Умственный труд
Физический труд средней тяжести
Тяжелый физический труд
ккал/24 часа
1680
2350
2500
3000-4200
4000-5700
5500-7000
Факториальный индикатор обмена равен соотношению энергозатрат при максимальной
активности и в состоянии покоя

15.

Индуцированный пищей термогенез
Измерения в респираторной камере
Доля энергетической ценности
продуктов, затрачиваемая на
постпрандиальный термогенез
Жир – 0-3%
Углеводы – 5-10%
Белки – 20-30%
Алкоголь -10-30%
кДж·
мин-1
Термогенез – сигнал насыщения
Прием пищи
глюкоза
инсулин
гипоталамус
вазодилятация
в мышце
Время суток, час
Прием пищи
желчные
кислоты
TGR5
дейодиназа
D2 мышцы
(липолиз)
Q
Делеция Рц
инсулина в мышце
мышца
(захват
глюкозы,
гликогенез)
Q
Снижение
постпрандиального
термогенеза

16.

Интенсивность энергообмена определяется :
температурными условиями окружающей среды,
доступностью пищи

17.

Терморегуляция

18.

Относительность изотермии:
температура разных частей тела – от 24,5̊ до 38,5̊
суточные колебания – от 36,4̊ до 37,1̊
физическая активность
фазы полового цикла – на 0,5̊
Постоянство температуры тела – относительная независимость от температуры окружающей среды

19.

Термодинамическая эффективность скелетных мышц у
холоднокровных и теплокровных животных, (работа/ΔH)x100%
40
30
мышечная
эффективность,
%
20
10
0
лягушка
крыса
черепаха
мышь

20.

Теплопродукция в расчете на массу и поверхность тела
Объект
Масса, кг
Мышь
Курица
Гусь
Собака
Человек
Свинья
Бык
0,018
2,0
3,5
15,2
64,3
128,0
391,0
Теплопродукция, ккал за 24 часа
на 1 кг
на 1 м2 поверхности
654,0
1188
71,0
947
66,7
967
51,5
1039
32,1
1042
19,1
1078
19,1
1567

21.

Теплопродукция
Q1
пища
экзотермические
реакции
шлаки
Работа клетки: биосинтез,
мышечное сокращение,
работа ионных насосов,
транспортеров и т.д.
Q2
АДФ
АТФ
работа
клетки
внешняя
работа
до 15% от
Q1 + Q2 = QТП = QТО
гипоталамический
термостат
Установочная точка поддерживаемой температуры может меняться
(пирогены, прогестины, тиреоидные гормоны)

22.

Терморегуляция
теплопродукция
теплоотдача
Q обмена
факультативный
термогенез
ΔF испарения 1 мл воды = 0,58 ккал
облигатный
термогенез
Критические
точки
to
Термонейтральная
область
Теплоотдача (%)
Теплопродукция
32
тяжелая
работа
13
40
12
20oC
недрожательный,
дрожательный
термогенез
конвекция,
теплопроводность
радиация
испарение
нагревание
пищи, воздуха
кожа (400-500 мл)
дыхательные
пути (300-350 мл)
25
3
>35oC
100 ( 12 л)
75

23.

Цепь переноса электронов, фосфорилирование и «утечка» протонов. UCP - рассопрягающий белок
“утечки” 20-25%
термогенеза в
состоянии покоя
межмембранное
пространство
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Cyt c
внутренняя
мембрана
Q
НАДH
НАД
UCP
2H++1/2O2
матрикс
H2O
АДФ
АТФ
H+
цепь переноса электронов
H+
H+
АТФ-синтаза
UCP – uncoupling proteins

24.

Функции рассопрягающих белков UCP 1 - 5
UCP1 - холодовая адаптация
(экспрессия - в белом и буром жире)
нокаут гена снижает
возможность холодовой адаптации
UCP2 и UCP3 – связаны с энергообменом
UCP2 вызывает ↓АТФ/АДФ → ↓свободных радикалов
(защитная функция от образования свободных радикалов)
UCP2 - ↓ секреции инсулина → ↓запасания
UCP2 - м.б. связан с центральными механизмами регуляции энергообмена
(гипоталамус, таламус, ствол, гиппокамп, мозжечок)
UCP3 – м.б. связан с обменом жирных кислот, выведением их избытка из
митохондрий

25.

Гормональная регуляция термогенеза

26.

Регуляция экспрессии рассопрягающего белка UCP1
в буром жире
NF-E2
NF-E2 CRE2 AP-1
-2517
PPRE
BRE ТЧЭ
CRE4
BRE
ТЧЭ -2283
мРНК UCP1
+1
NF-E2
CREB
PPAR
ПК-A
Жирные
Катехоламины кислоты
RAR
RXR
TРц
?
PI3K
CREB
Инсулин
ПК-A
Ретиноиды Тиреоидные
Катехоламины (β1,2,3 AR)
гормоны
Гормон чувствительная липаза
ПК-A
Синергизм катехоламинов и тиреоидных гормонов:
только норадреналин – 2-3 кратная индукция;
только тиреоидный гормон – нет эффекта;
норадреналин + тиреоидный гормон – 18-20-кратная индукция
NF-E2 - nuclear factor, erythroid 2
Активация симпатической
нервной системы

27.

Синергизм тиреоидных гормонов и симпатической стимуляции в
индукции термогенеза в буром жире
Клинические данные:
Гипотиреоз – сниженный
энергообмен, склонность к
ожирению
Термогенез,
UCP1
активность
Гипертиреоз –
повышенный энергообмен,
склонность к похуданию
Симпатическая
нервная система
D2
0
эутиреоз
тиреоидные гормоны
Действие Т3,Т4
на термогенез –
эволюционное
приобретение
млекопитающих

28.

Тиреоидные гормоны снимают ингибирующее действие
нитроксидсинтазы на дыхательную активность митохондрий
T3
Транспортеры электронов
NO
[ацетилирование
фосфорилирование]
T3
[нитрирование
белков]
nNOS’
nNOS’
nNOS
митохондрия

29.

Действие тиреоидных гормонов на многие митохондриальные
белки является опосредованным
PGC = коактиватор PPARγ; NRF = ядерный респираторный фактор
1-я волна
2-я волна
TR
PGC-1α
TRE
T3
PGC
NRF1
TR
NRF1
NRF-RE
TRE
6 – 8 часов
через 48 часов
тканеспецифичная
экспрессия
цитохром c
mtTFA

30.

Холодовая адаптация зависит от тиреоидных гормонов и их
рецепторов. TRα/β(-/-) – мыши с рецепторами α и β тиреоидных
гормонов, неспособными связывать лиганды.
Температура тела
Интактные
37ºС
22ºС
4ºС
30ºС
TRα/β(-/-)
[сходно действуют
гипотиреоз и нокаут
дейодиназы D2]
0
24
Время, час
Температура
окружающей
среды

31.

Тиреоидные гормоны через свои рецепторы повышают
установочную точку температуры тела, увеличивают
энергозатраты для поддержания температуры тела и расширяют
термонейтральную область. TRα/β(-/-) – мыши с рецепторами α и β
тиреоидных гормонов, неспособными связывать лиганды
Потребление O2
мл/мин/кг
Интактные
50
Термонейтральная
область
TRα/β(-/-)
Нижние
критические
температуры
Поддерживаемая
температура тела
0
0
37
Температура окружающей среды, ºС

32.

Тиреоидные гормоны через свои рецепторы сенсибилизируют
клетки бурого жира к действию норадреналина. TRα/β(-/-) –
мыши с рецепторами α и β тиреоидных гормонов, неспособными
связывать лиганды
Прирост
потребления O2
Интактные
1
TRα/β(-/-)
100
10000
Норадреналин, нМ
В буром жире экспрессируются оба рецептора тиреоидных гормонов.

33.

Избирательный агонист рецептора β тиреоидных гормонов (GC-1) не
воспроизводит действие природного гормона T3 на восстановление
чувствительности клеток бурого жира к адренергической стимуляции,
но воспроизводит - на экспрессию UPC1
Продукция цАМФ
+T3
Без гормона
+GC-1
0
1
100
10000
Норадреналин, нМ
Ведущую роль в сенситизации бурого жира к норадреналину играет Т-Рц α

34.

Дейодиназа D2 в клетках бурого жира повышает
уровень T3, необходимого для активации TRα,
сенсибилизирующего клетки к адренергической
стимуляции. UCP1 – рассопрягающий белок 1; ГЧЛ –
гормончувствительная липаза; AR – адренорецепторы
(преимущественно подтипа β3); G – Gs-белок; AC –
аденилатциклаза.
T3 плазма крови T4
T3
T3
D2
T3
Т-Рцα
цАМФ
Дыхательная
цепь
Тепло
Норадреналин
T4
Т-Рцβ
UCP1
Сродство T3 к рецепторам:
Т-Рцβ > Т-Рцα
T3
AR
G
AC
ГЧЛ
СЖК
АТФ
T3
Т-Рцβ
UCP
Тепло
Т-Рцα
Липолиз
дыхание
Тепло

35.

Каталитическая реакция дейодирования T4 стимулирует убиквитинилирование и
инактивацию дейодиназы D2. Норадреналин повышает активность дейодиназы D2,
индуцируя ее синтез de novo и препятствуя ее деградации в протеасоме путем
индукции дезубиквитинилирующего фермента 1. Ub - убиквитин
T4
Холод
Жировые
запасы
Лептин
Норадреналин
Синтез
de novo
T3
D2
Дезубиквитинилирующий
фермент
Ub
Убиквитинилирующий
комплекс
D2
инактивация
Протеасома
D2
деградация

36.

Мыши дикого
типа
Мыши с
нокаутом T3Rα
Холод
Холод
Умеренное охлаждение
Термогенез в
буром жире
Гипотермия,
гибель
Термогенез в
скелетной мышце
Энергозатраты,
D2, ЛПЛ,
окисление
липидов
увеличены
Термогенез в скелетной мышце может обеспечивать адаптацию к
холоду, частичную у грызунов, ведущую у человека
Механизмы адаптации термогенеза в скелетной мышце к холоду
Адренергическая
стимуляция (α1,
β3), цАМФ, ПК-A
Свободные жирные
кислоты
T4
D2
D2 – в мышцах человека,
но не грызунов.
T3
UCP3
Q
SERCA,
RYR
Q

37.

Влияние тиреоидных гормонов на термогенез в покоящейся и
работающей быстрой (extensor digitorum longus) и медленной
(soleus) скелетной мышце мыши
Тепло (мВт/г)
200
быстрая мышца
Тепло (мВт/г)
40
эутиреоз
медленная мышца
эутиреоз
гипотиреоз
гипотиреоз
0
3000
Усилие (мН/мм2)
0
Q
Тиреоидные гормоны активируют
«бесполезный» цикл
энергозависимой закачки кальция в
депо и его выхода в цитоплазму
Усилие (мН/мм2)
3000
Q
АТФ
Ca2+
RyR
SERCA1
T3
SERCA – зависимая
от Са АТФ-аза СЭР
RyR – рианодиновые
рецепторы

38.

Мишени тиреоидных гормонов в буром жире:
UCP1
белки дыхательной цепи переноса электронов
широкий спектр белков митохондрий ( NRF-1, PGC-1, Cyt c, mtTFA)
сенсибилизация к действию норадреналина
липолиз
Мишени тиреоидных гормонов в скелетной мышце:
SERCA1
RyR
UCP3
белки дыхательной цепи переноса электронов
широкий спектр белков митохондрий ( NRF-1, PGC-1, глицерол-3-фосфатдегидрогеназа)
повышение продукции АТФ , расходуемой на дрожательный термогенез и работу
сенсибилизация к действию норадреналина
Мишени катехоламинов в буром жире:
UCP1
дейодиназа D2
дезубиквитинилирующий фермент , активирующий D2
гормончувствительная липаза
липолиз
Мишени катехоламинов в скелетной мышце:
UCP3 и утилизация липидов
дейодиназа D2 (у человека)

39.

Регуляция пищевого поведения

40.

Nutrition. 2009 Nov-Dec;25(11-12):1186-92.
30-Дневные крысы массой 100 г получали диету с нормальным содержанием белка (17%) и со сниженным
содержанием белка (6%)
Потребление
Потребление
белка
энергии
Потребление
Масса
пищи
тела
Энергозатраты
30
дни
Постпрандиальный
термогенез
45
30
дни
Постпрандиальный
инсулин
45
Энергетические
запасы (жир)
Постпрандиальная
глюкоза
Глюкоза при
голодании
Лептин
Повышенная чувствительность к инсулину ?
Nutr Metab (Lond). 2008 Oct 17;5:25.
Молодые женщины разово получали пищу с нормальным
содержанием белка (11,4%) и со сниженным содержанием
белка (3,9%) одинаковой калорийности (3100 кДж)
Постпрандиальный
термогенез
Жировые запасы
возрастают на 33 г

41.

Взаимосвязи центров терморегуляции и пищевого поведения
Преоптический
гипоталамический
термостат
Латеральный
гипоталамус
Вентро-медиальный
гипоталамус
Прием Голодная
пищи мотивация
Центр насыщения
Облегчающий
пищевой центр
Прием пищи
Термогенез
(бесполезные
циклы, сопряжение
окисления и
фосфорилирования)
Инсулин
Запасы
триглицеридов в
адипоцитах
Лептин
Физическая
активность
Сытость (растяжение
желудка, инсулин, лептин,
амилин, специфическое
динамическое действие
пищи)

42.

Обестатин
Грелин
Области мозга, связанные с потреблением пищи:
Аркуатное ядро (не защищено гематоэнцефалическим барьером; возможна регуляция периферическими гормонами)
Вентромедиальное ядро (разрушение сопровождается гиперфагией и «гипоталамическим» ожирением) –
«центр насыщения»
Латеральный гипоталамус (разрушение сопровождается афагией; сенсор орексигенных соединений) –
«центр питания»
Дорсомедиальное ядро; Паравентрикулярное ядро, Околосводный гипоталамус; Супрахиазматическое ядро
(регулярность приема пищи)

43.

PVN, ARC
Нейропептид Y – NPY
организатор пищевого поведения
Рецепторы - Y1 и Y5 (антагонисты рецепторов снимают ночной и голодный прием пищи)
голодание
инсулин
(у адреналэктомированных
животных)
грелин
ИЛ-1,CNTF
глюкокортикоиды
NPY
тестостерон
цилиарный нейротрофический
фактор
лептин
(мыши ob/ob,db/db,
крысы Zucker)
серотонин
эстрогены
(длительное воздействие)

44.

«Голодная» секреция грелина желудком
Грелин
Прием
пищи
0
1
2
3
Время, час
4
5

45.

Голодание,
грелин
Стимуляция нейронов
аркуатного ядра NPY/ AgRP
Высвобождение
NPY и AgRP
Y1
Прием пищи,
лептин
Стимуляция
нейронов POMC/CART
сOB-Rb
MC4
NPY и AgRP
αМSH и CART

46.

Frontiers in Systems Neuroscience, 2015, v 9, Article 150

47.

Figure . Leptin and insulin signaling pathways in the hypothalamus
Leptin binding to its receptor (OB-Rb) induces receptor dimerization and JAK2 activation.
Phosphorylation of the intracellular domain of OB-Rb by JAK2 leads to the recruitment and
phosphorylation of STAT3. Phosphorylated STAT3 dimerizes and translocates to the
nucleus where it activates target genes under the control of pomc promoter and suppresses
argp promoter. Leptin can also control hypothalamic neuron functions by activating the
PI3K/Akt pathway in a manner similar to insulin. EPAC1 may desensitizes leptin signaling
by suppressing STAT3 activation as it has been shown that EPAC1 induces the expression
of SOCS3, a STAT3 negative regulator, by recruiting CCAAT/enhancer-binding protein (C/
EBP) transcription factors to the SOCS-3 promoter in endothelial cells.
Trends Endocrinol Metab. 2014 February ; 25(2): 60–71

48.

амилин
орексины
КРГ,урокортин
лептин
OB-Rb
КРГ-Рц1,КРГ-РЦ2
NPY
ПОМК
Агонист
GABAA
опиоиды
μ-опиатные Рц
δ-опиатные Рц
κ-опиатные Рц
Y1 – R, Y5 - R
GLP-1
GLP-1
Агонист
αМСГ
MC3 – R
MC4 - R
Антагонист
белок агути,
AgrP
подавление
потребления
пищи
CART
GAL
стимуляция
потребления
пищи
IL-1β and IL-6
mimecan
обестатин
грелин
предшественник грелина
МКГ

49.

Ожирение

50.

Потребление и расходование пищевых продуктов
Потребление
пищи
Окисление
Тепло
Работа
Физиологическая
Снижение потребления пищи
(особенно жирных кислот)
Увеличение секреции инсулина
(увеличение жировых запасов)
Запасание
Физическая
Снижение секреции лептина
(снижение анорексигенного, энергозатратного
действия)

51.

Детское ожирение
Увеличение количества адипоцитов в результате усиленной
дифференцировки преадипоцитов в адипоциты под действием
PPARγ, активированных ЖК
Взрослое ожирение
Гипертрофия адипоцитов.

52.

Ожирение – полифакторное явление
Разрушение вентромедиального гипоталамуса – «центра насыщения»
Инактивирующие мутации системы возникновения/проведения
анорексигенных сигналов – мутации генов лептина, его рецептора
Активирующие мутации системы орексигенной стимуляции
Гипотиреоз или инактивирующие мутации Т-Рц