Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

ОСОБЕННОСТИ АЗОТИСТОГО ОБМЕНА И ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ МИОКАРДА ПРИ ИНСУЛИНОВОЙ ГИПОГЛИКЕМИИ У КРЫС

Телушкин П.К. 1 Стельмах А.Ю. 1 Медведева Н.Б. 1 Потапов П.П. 1
1 ГБОУ ВПО «Ярославская государственная медицинская академия Минздрава России»
В миокарде крыс, находящихся в состоянии гипогликемической комы, увеличивается скорость гликолиза и гликогенолиза, активность лактатдегидрогеназы, сукцинатдегидрогеназы, изоцитратдегидрогеназы, повышается концентрация гликогена, снижается содержание триацилглицеролов. На 15-е сутки аллоксанового диабета у крыс снижается скорость дихотомического распада углеводов, содержание триацилглицеролов. У животных, находящихся в состоянии гипогликемической комы, вызванной на фоне сахарного диабета, кроме увеличения скорости гликолиза и гликогенолиза и активности лактатдегидрогеназы, обнаруживается заметное увеличение активности аспарагиновой аминотрансферазы, глутаматдегидрогеназы и АМФ-дезаминазы. В этих условиях распад аминокислот в печени увеличивается, в сыворотке крови повышается концентрация мочевины, мочевой кислоты и уменьшается концентрация свободных аминокислот и триацилглицеролов. Полученные данные свидетельствуют о повышении использования неуглеводных источников для энергообеспечения миокарда при гипогликемии, развивающейся на фоне сахарного диабета.
обмен аминокислот
окислительные ферменты
гликолиз
печень
сердце
аллоксановый диабет
инсулиновая гипогликемия
1. Балаболкин М.И. Диабетология. – М.: Медицина, 2000. – 672 с.
2. Лабораторные методы исследования в клинике / Под ред. В.В.Меньшикова. – М., Медицина, 1987. – 368 с.
3. Методы биохимических исследований: Липидный и энергетический обмен / Под ред. М.И. Прохоровой. – Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1982. – 272 с.
4. Панин Л.Е., Третьякова Т.А., Русских Г.С., Войцеховская Е.Э. Особенности регуляции ключевых ферментов гликолиза и пентозофосфатного пути в тканях с различной функциональной специализацией. // Вопр. мед. химии. – 1982. – Т. 28, №2. – С. 26-30.
5. Телушкин П.К., Ноздрачев А.Д., Потапов П.П. Показатели энергетического и азотистого обмена у крыс при инсулиновой гипогликемии // Известия РАН. Серия биологическая. – 2008. - № 3. – С. 324-332.
6. Belke D. D. Glucose and fatty acid metabolism in the isolated working mouse heart / D. D. Belke, T. S. Larsen, G.D. Lopaschuk, D. L. Severson // Am. J. Physiol. Regulatory Integrative Comp. Physiol. – 1999. – Vol. 277, N 4. – P. 1210-1217.
7. Cryer P. E. Mechanisms of sympathoadrenal failure and hypoglycemia in diabetes / P. E. Cryer // J. Clin. Invest. – 2006. – Vol. 116. – P. 1470-1473.
8. Laughlin M. R. Regulation of glycogen metabolism in canine myocardium: effects of insulin and epinephrine in vivo / M. R. Laughlin, J. F. Taylor, A. S. Chesnick, R. S. Balaban // Am. J. Physiol. – 1992. – Vol. 262. – P. 875-883.
9. O`Donnel, J. M. Coupling of mitochondrial fatty acid uptake to oxidative flux in the itact heart / J. M. O`Donnel, N. M. Alpert, L. T. White, E. D. Lewandowski // Biophisical Journal. – 2002. – Vol. 82, N 1. – P. 11-18.
Выраженная гипогликемия (вплоть до развития гипогликемической комы) наблюдается при многих заболеваниях, она является частым следствием неадекватной инсулинотерапии больных сахарным диабетом [1]. Гипогликемия может оказывать серьезное повреждающее воздействие, вызывая изменения ферментативной активности и субстратного обеспечения энергетического и пластического обмена [1, 5].

Нарушения метаболизма в миокарде при сахарном диабете приводят к развитию диабетической кардиомиопатии, существенно нарушающей функцию миокарда [9]. Резкие перепады уровня гликемии, изменения секреции контринсулярных гормонов, нарушения регуляторных воздействий могут в значительной степени модифицировать метаболический ответ на гипогликемию при сахарном диабете [5, 7].

Целью настоящего исследования являлось изучение особенностей энергообеспечения миокарда при инсулиновой гипогликемии у крыс с экспериментальным сахарным диабетом.

Материалы и методы исследования

Опыты выполнены на белых беспородных крысах самцах массой 200-240 г. Все животные содержались на стандартном пищевом рационе и перед каждым обследованием были лишены пищи в течение 18-24 часов; воду получали без ограничения. Экспериментальный сахарный диабет вызывали однократным внутрибрюшинным введением аллоксана (135 мг на кг массы тела). Развитие сахарного диабета контролировали, определяя наличие кетоновых тел и глюкозы в моче. Гипогликемическую кому (развитие судорожного синдрома с последующей утратой постуральных рефлексов) вызывали внутримышечной инъекцией инсулина в дозе 40 ЕД на кг массы [5]. Животные были разделены на 4 группы: 1-я группа - интактные животные (контроль), 2-я - животные, обследованные на 15-й день после введения аллоксана; 3-я - крысы, находящиеся в состоянии гипогликемической комы; 4-я - животные с 15-суточным экспериментальным сахарным диабетом в состоянии гипогликемической комы.

В сыворотке крови определяли концентрацию глюкозы, мочевой кислоты, мочевины, свободных жирных кислот (СЖК), лактата и триацилглицеролов (ТАГ), и суммарную концентрацию свободных аминокислот [2], в миокарде определяли содержание гликогена и ТАГ [3]. В гомогенате печени и миокарда (оба желудочка) исследовали активность глутаматдегидрогеназы (ГДГ, КФ 1.4.1.3), аланиновой аминотрансферазы (АлАТ, КФ 2.6.1.2), аспарагиновой аминотрансферазы (АсАТ, КФ 2.6.1.1), НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы (НАД-ИЦДГ, КФ 1.1.1.41), лактатдегидрогеназы (ЛДГ, КФ 1.1.1.27), сукцинатдегидрогеназы (СДГ, КФ 1.3.99.1) [3], АМФ-дезаминазы (АМФ-Д, КФ 3.5.4.6) [5]. Активность АсАТ, АлАТ, ГДГ, ЛДГ, НАД-ИЦДГ и СДГ выражали в мкмоль в минуту на г ткани, активность АМФ-Д - в нмоль в минуту на г ткани. Интенсивность гликолиза и гликогенолиза в гомогенате миокарда определяли по скорости накопления лактата в инкубационной среде, используя в качестве субстратов глюкозу, глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф) и гликоген [4]. Количество белка определяли по Лоури. Статистическую обработку проводили с использованием t критерия Стьюдента.

Результаты исследования и их обсуждение

На 15-е сутки у крыс с экспериментальным аллоксановым диабетом, кроме гипергликемии, обнаружено увеличение концентрации мочевины в крови (таблица 1) и повышение активности АлАТ, АсАТ и ГДГ в печени (таблица 2). Такие изменения азотистого обмена характерны для экспериментального сахарного диабета [1] и свидетельствуют об увеличении катаболизма аминокислот. Других изменений активности ферментов не обнаружено.

Таблица 1

Концентрация метаболитов в крови крыс при аллоксановом диабете и инсулиновой гипогликемии

Показатель

 

Группа

1-я

2-я

3-я

4-я

Глюкоза

M±m

5,3±0,1 (20)

7,9±0,7 (7)**

1,7±0,1 (7)**

2,1±0,2 (7)**

СЖК

M±m

402±19 (22)

360±41 (7)

316±33 (7)**

202±20 (7) **

Лактат

M±m

2.14±0.11 (19)

2.10±0.18 (8)

1.30±0.10 (8)*

1.90±0.16 (8)

ТАГ

M±m

1,12±0,07 (19)

1,34±0,20 (7)

0,94±0,08 (7)

0,88±0,05 (7)**

Мочевина

M±m

6,8±0.3 (20)

13,6±3,2 (6)*

2,3±0,2 (7)**

22,0±3,8 (7)*

Мочевая кислота

M±m

213±7 (20)

242±14 (7)

226±11 (7)

270±16 (8)*

Аминокислоты

M±m

7,1±0,2 (20)

7,7±0,2 (7)

6.3±0,2 (7)**

3,8±0,3 (7)**

Примечания: 1) концентрация глюкозы, мочевины, лактата, ТАГ и аминокислот в крови выражены в ммоль/л, концентрация мочевой кислоты и СЖК в крови - в мкмоль/л; 2) здесь и в таблицах 2, 3, 4, 5 - * - Р<0,05; ** - Р<0,01; 3) в скобках указано количество животных в группе.

Таблица 2

Активность ферментов азотистого обмена в печени крыс при аллоксановом диабете и инсулиновой гипогликемии

Показатель

 

Группа

1-я

2-я

3-я

4-я

АсАТ

M±m

15.7±0.4 (24)

18.7±0.6 (7)**

14.1±0.4 (7)

21.3±1.4 (7)**

АлАТ

M±m

24.3±0.6 (24)

28.5± 0.6 (7)**

22.5±0.7 (7)

30.5±1.5 (7)**

ГДГ

M±m

0.61±0.03 (20)

0.80±0.05 (7)*

0.58±0.03 (7)

0.66±0.02 (7)

АМФ-Д

M±m

92±9 (20)

79±8 (6)

83±14 (6)

161±15 (6)**

Гипогликемия (в том числе инсулиновая) во всех случаях вызывает повышенную секрецию глюкокортикоидов, глюкагона и катехоламинов, а метаболические изменения, наблюдаемые у животных, находящихся в состоянии инсулиновой комы, являются результатом противоположно направленных гормональных влияний [1].

У крыс 3-ей группы в крови снижалось содержание субстратов, которые могут служить источниками энергии для миокарда (СЖК, глюкозы, лактата, ТАГ). Кроме того, обнаруживалось значительное уменьшение концентрации свободных аминокислот и мочевины в крови (таблица 1). Существенных изменений активности окислительных ферментов и ферментов азотистого обмена в печени не обнаружено. Оценивая в целом обнаруженные изменения, можно утверждать, что у животных этой группы катаболизм аминокислот в печени существенно не увеличивался.

У животных 4-ой группы активность исследованных ферментов азотистого обмена в печени была увеличена (таблица 2). Следует подчеркнуть, что повышенная активность АМФ-Д наблюдалась только в состоянии гипогликемической комы у крыс с сахарным диабетом. Реакция, катализируемая АМФ-Д, участвует не только в процессах пуринового обмена, она играет существенную роль в непрямом дезаминировании аминокислот в тканях. Поэтому увеличение активности АМФ-Д одновременно с нарастанием концентрации мочевой кислоты и мочевины в крови указывает на повышение катаболизма как пуриновых нуклеотидов, так и аминокислот [5]. В результате у крыс 4-ой группы значительно уменьшалась концентрация свободных аминокислот в крови. Увеличение распада аминокислот в печени может нарушать субстратное обеспечение синтеза белка. Таким образом, гипогликемия, возникающая при сахарном диабете, способна усугублять нарушения азотистого обмена, характерные для данного заболевания.

Содержание гликогена в миокарде у крыс с аллоксановым диабетом было понижено. В условиях гипогликемической комы концентрация полисахарида повышалась как у исходно здоровых животных, так и у крыс с диабетом (таблица 3). Концентрация ТАГ в миокарде уменьшалась у животных всех групп, изменения были наиболее значительными крыс 4-ой группы.

Таблица 3

Концентрация гликогена и триацилглицеролов в миокарде при аллоксановом диабете и инсулиновой гипогликемии

Показатель

 

Группа

1-я

2-я

3-я

4-я

Гликоген, мг/г

M±m

2,48±0,10 (23)

2,01±0,36 (7)

4,31±0,59 (7) **

3,68±0,52 (7)*

ТАГ, мкмоль/г

M±m

8,82±0,20 (23)

4,22±0,46 (7)**

7,60±0,42 (8)*

2,77±0,36 (7)**

У крыс с аллоксановым диабетом в миокарде не обнаружено изменений активности ЛДГ, НАД-ИЦДГ и СДГ, у крыс 3 группы, активность этих ферментов повышалась. При гипогликемии у животных с диабетом увеличивалась активность ферментов азотистого обмена (таблица 4).

Таблица 4

Активность ферментов в миокарде крыс при аллоксановом диабете и инсулиновой гипогликемии

Показатель

 

Группа

1-я

2-я

3-я

4-я

ЛДГ

M±m

13,2±0,8 (16)

14,9±1,1 (6)

16,0±0,7 (8)*

17,8±1,3 (8)*

НАД-ИЦДГ

M±m

1,75±0,08 (18)

1,59±0,08 (8)

2,86±0,13 (8)**

1,54±0,06 (8)

СДГ

M±m

6,07±0,36 (16)

5,80±0,20 (7)

7,84±0,32 (5)*

5,57±0,18 (7)

АлАТ

M±m

1,19±0,06 (16)

1,11±0,07 (8)

1,30±0,06 (5)

1,12±0,09 (8)

АсАТ

M±m

7,98±0,28 (16)

8,79±0,46 (8)

9,02±0,41 (5)

9,34±0,32 (8)**

ГДГ

M±m

0,51±0,06 (14)

0,44±0,03 (7)

0,65±0,04 (7)

1,61±0,17 (6)**

АМФ-Д

M±m

741±30 (14)

749±22 (7)

689±22 (7)

842±22 (6)*

У крыс с аллоксановым диабетом (2-ая группа) скорость образования лактата в миокарде уменьшалась почти в 2 раза при использовании всех трех субстратов (таблица 5). Снижение дихотомического распада углеводов в миокарде при аллоксановом диабете является следствием дефицита инсулиновых эффектов [6]. Уменьшение скорости гликогенолиза в данном случае, по-видимому, обусловлено низкой активностью фосфофруктокиназы, которая в таких условиях становилась лимитирующим фактором. У животных 3-ей экспериментальной группы скорость образования лактата в миокарде при использовании в качестве исходных субстратов глюкозы и гликогена, а также активность окислительных ферментов в миокарде увеличивалась. У крыс 4-ей экспериментальной группы интенсивность дихотомического распада углеводов приближалась к нормальным значениям, т.е. была существенно повышена в сравнении с подопытными животными 2-ой группы (аллоксановый диабет), различия статистически достоверны.

Таблица 5

Скорость накопления лактата (нмоль в минуту на мг белка), в миокарде крыс при аллоксановом диабете и инсулиновой гипогликемии

Субстрат

 

Группа

1-я

2-я

3-я

4-я

Глюкоза

M±m

11,4±1,2 (21)

6,3±1,2 (8)*

19,9±1,2 (8)*

12,4±1,7 (8)

Г-6-Ф

M±m

32,1±1,3 (21)

12,4±2,1 (8)*

36,5±1,7 (8)

29,6±2,7 (8)

Гликоген

M±m

20,1±2,1 (21)

12,7±2,6 (8)*

26,7±0,9 (8)*

23,4±3,6 (8)

Повышение скорости образования лактата при использовании глюкозы и гликогена в качестве субстратов фактически отражает активацию гексокиназы и фосфорилазы. Это способствует увеличению образования фосфогексоз. Однако такие изменения ферментативной активности не обязательно приводят к реальной стимуляции катаболизма углеводов и повышению использования углеводов в энергообмене in vivo при гипогликемии. Скорость гликолиза при использовании Г-6-Ф в качестве субстрата не изменялась. Т.е. в сердце активность ключевого фермента дихотомического распада углеводов - фосфофруктокиназы, по-видимому, не увеличивалась. В то же время процессы синтеза гликогена стимулируются инсулином [8]. Поэтому можно предполагать, что под действием высокой дозы гормона, вызывающей в конечном итоге (через 3-4 часа после инъекции) глубокую гипогликемию, повышенное образование фосфогексоз в миокарде способствует увеличению синтеза гликогена, в результате чего концентрация полисахарида значительно нарастает (животные 3-ей и 4-ой группы). В начальный период после введения инсулина, возможно, имело место увеличение «кругооборота» гексоз в системе «Г-6-Ф - гликоген» с некоторым преобладанием синтеза гликогена. В конечном итоге это препятствует его эффективному использованию для покрытия энергозатрат миокарда. В условиях уже развившейся гипогликемии потенциально высокая скорость усвоения глюкозы крови мало влияет на энергообеспечение миокарда. При этом в крови уменьшается не только концентрация глюкозы, но и содержание кетоновых тел [5], СЖК и лактата, т.е. снижается обеспечение миокарда многими потенциально возможными исходными субстратами для окисления. В таких условиях, по-видимому, увеличивается распад эндогенных ТАГ сердца и ТАГ крови, в особенности в том случае, когда инсулиновая гипогликемия развивается на фоне сахарного диабета. Однако инсулин угнетает окисление высших жирных кислот в миокарде [6]. Таким образом, окисление жирных кислот, образующихся при гидролизе ТАГ, может быть затруднено. Поэтому при инсулиновой гипогликемии увеличение активности окислительных ферментов, которое, возможно, носит компенсаторный характер, оказывается малоэффективным.

У животных с гипогликемией, вызванной на фоне сахарного диабета, увеличение активности АсАТ, АМФ-Д и ГДГ в миокарде может свидетельствовать о повышении процессов трансаминирования и дезаминирования с последующим включением аминокислот в энергообмен. Не исключено, что аминокислоты становятся значимым источником энергии для миокарда. В сочетании с нарушениями азотистого обмена в печени это может приводить к снижению субстратного обеспечение протеиносинтеза в сердце.

Заключение

При инсулиновой гипогликемии в миокарде не обнаружено таких изменений активности окислительных ферментов, которые могли бы приводить к нарушению энергообмена. Снижение энергообеспечения может быть вызвано дефицитом исходных субстратов для окисления и нарушением катаболизма углеводов. Инсулиновая гипогликемия, вызываемая на фоне сахарного диабета, обусловливает заметное увеличение использования аминокислот для покрытия энергозатрат миокарда. Таким образом, нарушения функции миокарда при гипогликемии [9] могут быть обусловлены как дефицитом субстратов энергообмена и нарушением их утилизации, так и ограничением протеиносинтеза.

Рецензенты:

Михайлов В.П., д.м.н., профессор, заведующий кафедрой патологической физиологии ГБОУ ВПО «Ярославская государственная медицинская академия Минздрава России», г. Ярославль;

Муравьев А.В., д.б.н., профессор кафедры медико-биологических основ спорта, ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный педагогический университет им. К.Д. Ушинского», г. Ярославль.


Библиографическая ссылка

Телушкин П.К., Стельмах А.Ю., Медведева Н.Б., Потапов П.П. ОСОБЕННОСТИ АЗОТИСТОГО ОБМЕНА И ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ МИОКАРДА ПРИ ИНСУЛИНОВОЙ ГИПОГЛИКЕМИИ У КРЫС // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15112 (дата обращения: 21.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252