Текст книги "Эгоистичная митохондрия. Как сохранить здоровье и отодвинуть старость"

2
Темная сторона Силы
Нарушения, связанные с дисфункцией митохондрий

Мы уже ответили на вопрос, почему генерация энергии митохондриями является основой здоровья и благополучия, а также необходима для физической, жизненной силы и даже сознания. Мы знаем, что нарушения функционирования митохондрий (пусть они будут слабыми и невыраженными) могут вызывать слабость, повышенную утомляемость и когнитивные проблемы. Также мы знаем, что определенные химические вещества, мешающие работе митохондрий, – это потенциальные яды. Наука утверждает, что прекращение полноценной работы митохондрий представляет собой основную причину не связанных друг с другом на первый взгляд дегенеративных болезней и даже процесса старения как такового.

В этом разделе я сосредоточусь, прежде всего, на темной стороне митохондрий – последствиях для здоровья, связанных с дефектными митохондриями. Я должен, однако, сейчас оговориться, что изложенная мной ниже информация далека от исчерпывающей. По большому счету мы исследуем только верхушку айсберга. Я предлагаю общий обзор проблематики, который позволит вам еще в большей степени оценить важность митохондрий в нашей жизни – как в отношении здоровья, так и болезней. Некоторые из заболеваний, о которых мы поговорим, являются генетическими (и входят в группу митохондриальных заболеваний), в то время как другие приходят извне (речь идет о вирусных инфекциях, загрязнениях окружающей среды, чрезмерном потреблении калорий, естественном старении и о многом другом).

Кратко о биоэнергетике

Биоэнергетика – это раздел биологии, изучающий совокупность процессов преобразования внешних ресурсов в биологически полезную работу (энергетические процессы) живых организмов. Это важная область знаний, так как проблемы с производством и использованием энергии являются ключевой причиной возникновения многих болезней, в которых митохондрии играют ключевую роль (как мы в ближайшее время убедимся).

Несмотря на то что ученые многое знают об АТФ, терапевты и другие врачи в целом не представляют себе, как использовать эти теоретические знания на практике. Давайте сначала обратимся к сердцу, которое использует для одного своего биения примерно 0,7 г АТФ и позволяет сердечной мышце сокращаться со скоростью около 60 раз в минуту или 1 раз в секунду. В таком режиме, сравнительно медленном даже для «здоровых» людей, сердце сокращается 86 400 раз в сутки. Сердце ежесуточно нуждается в 6000 г АТФ и пополняет свои энергетические запасы 10 тысяч раз в 24 часа! Но как оно расходует столь чудовищное количество энергии?

Перед тем как рассмотреть процесс использования АТФ, разберемся в сути этого универсального источника жизненной энергии. АТФ (аденозинтрифосфат) состоит из трех элементов: аденина (пуринового основания), D-рибозы (пентозы, относящейся к классу пятиуглеродных моносахаридов) и трех остатков фосфорной кислоты. Потребляемая клеткой энергия высвобождается, когда фермент забирает у АТФ фосфат, конвертируя химическую энергию, заключенную в связях между элементами, в энергию механическую. После потери фосфата АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфат). Как вы помните, в главе 1 (раздел «АТФ-синтаза: соединение ЭТЦ и окислительного фосфорилирования») мы говорили о том, что благодаря АТФ-синтазе фосфат вновь прикрепляется к АТФ во внутренней мембране митохондрии, воссоздавая АТФ.

Так как клетка обеспечивается двумя базовыми ингредиентами – электронами из пищи и кислородом из воздуха, – этот цикл беспрепятственно повторяется миллионы раз в секунду в каждой клетке нашего организма. Непрерывная рециркуляция АТФ позволяет клетке постоянно наполняться энергией. Однако если клетка испытывает серьезный дефицит либо в кислороде, либо в топливе, то ее функционирование нарушается.

Показательный пример кислородной депривации – состояние после инфаркта миокарда. Инфаркт миокарда возникает в случае блокировки артерии, по которой кровь доставляется в сердечную мышцу. Последняя продолжает работать с прежней скоростью, но на холостом ходу, так как в нее не поступает кислород, без которого невозможен нормальный синтез АТФ. Сейчас наука не может определить, локализованы ли запасы АТФ в определенных участках организма или они свободно перемещаются по телу, но можно с уверенностью утверждать, что есть определенные зоны особенно высокой его концентрации (например, в сердечной мышце или в области движения ионов через мембрану). Так или иначе, безотносительно к тому, где находится АТФ, после того как он высвобождает свою энергию и превращается в АДФ, должно произойти воссоздание АТФ, которая покидает митохондрию, следуя туда, где есть потребность в энергии. Небольшое количество АДФ находится в цитозоле (жидкой растворимой части цитоплазмы клетки, заполняющей пространство между органоидами), где и возвращается в состояние АТФ (без проникновения в митохондрии). Эта АТФ обычно связана с клеточными мембранами, обеспечивая энергию, необходимую для контроля движения ионов через них.

Все это хорошо, но возникает вопрос: если митохондрии обеспечивают 90 % потребностей клетки в энергии, то как обеспечивается передача АТФ в ее «уголки»? Молекулы АТФ, синтезированные внутри митохондрии, должны вернуться в цитозоль, где используется ее энергия. В то же время АДФ из цитозоли должен возвращаться в митохондрии, чтобы там вернуться в состояние АТФ. Сами по себе АТФ и АДФ не способны пройти сквозь мембрану митохондрий, поэтому при участии специального фермента – АТФ-АДФ транслоказы, расположенной во внутренней мембране митохондрий, АТФ транспортируется в цитоплазму в обмен на АДФ. Представьте себе целлюлозно-бумажный завод, который использует переработанные материалы, например новая бумага производится из старой. Для того чтобы этот завод работал без сбоев, новую бумагу следует отправлять за его пределы, чтобы она была использована, а затем возвращена и вновь переработана. Цикл переработки может быть нарушен и в том случае, если сырье не поступает в систему, и если новая бумага не удаляется из нее, чтобы снова вернуться в качестве сырья. Конечно, в целях производства бумаги теоретически можно использовать первичную древесную массу, однако для этого нужно выращивать деревья (на что уходят годы), после чего тратить серьезные ресурсы на превращение их в сырье. Похожим образом дело обстоит и в клеточном микромире. АТФ требуется для использования в качестве топлива и расщепления до АДФ, после чего АДФ возвращается в митохондрии и служит материалом для синтеза новых молекул АТФ. Синтез же АДФ с нуля – слишком долгий и энергоемкий процесс, подобный выращиванию деревьев.

Пища и кислород: ингредиенты для производства энергии

Базовые условия существования сложного живого организма – пища и кислород – являются ингредиентами, необходимыми митохондриям для производства энергии. Основным (и наиболее легкодоступным) видом клеточного топлива является глюкоза – простой сахар, содержащий 6 атомов углерода, извлекаемый и пищи, которую мы едим. Если мы потребляем больше питательных веществ, чем требуется для удовлетворения потребности в энергии, то ее остатки сохраняются в виде гликогена. Большинство из нас отличается от жвачных животных и не ест на протяжении всего дня без перерыва. Поэтому гликоген по мере необходимости идет в дело, расщепляясь до глюкозы. Первый этап в рамках этого процесса называется гликолизом. Гликолиз протекает в цитозоле. Так как он происходит рядом с клеточной мембраной, ученые считают, что гликолиз направлен прежде всего на генерацию энергии, обеспечивающей прохождение ионов через клеточную мембрану. Несмотря на то что гликолиз способен быстро привести к синтезу большого количества АТФ, этого количества далеко не достаточно для долгосрочного удовлетворения потребности клетки в энергии. При непосредственном расщеплении молекулы глюкозы появляются только две молекулы АТФ. Если же расщеплению подвергается гликоген, то создается три молекулы АТФ.

В ходе нормального углеводного метаболизма шестиуглеродная молекула глюкозы расщепляется на две трехуглеродные молекулы пирувата, которые затем проникают в митохондрию и принимают участие во втором каскаде реакций производства энергии: цикле Кребса.

Поскольку клетка обеспечена достаточным количеством кислорода, пируваты трансформируются и расщепляются в рамках цикла Кребса, откуда новые химические соединения переходят к третьему циклу реакций: дыхательной электротранспортной цепи переноса электронов (ЭТЦ).

Однако в том случае, если клетка испытывает недостаток в кислороде, например в случаях чрезвычайно наряженной физической активности или при значительной закупорке артерий, то нормальное функционирование цикла Кребса нарушается и пируваты превращаются в молочную кислоту (а ее производные называются лактатами). Появление молочной кислоты вызывает падение уровня pH[18]18
  pH – водородный показатель (количественная характеристика активной реакции среды, численно равная отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов водорода).


[Закрыть] (что означает повышение кислотности), а это, в свою очередь, служит клетке сигналом о том, что ей требуется дополнительная энергия. Однако если концентрация молочной кислоты становится слишком высокой, то начинается клеточный стресс. На макроуровне он проявляется как жжение и боль в грудной клетке при физической активности (стенокардия). Речь идет об ишемической болезни сердца (ИБС), которая возникает при недостаточности питания сердечной мышцы, когда коронарный кровоток в силу неких его деформаций приносит недостаточное количество кислорода к тканям миокарда.

Итак, несмотря на то что гликолиз является жизненно важным процессом, а глюкоза доступна для большинства из нас, он не представляет собой наиболее эффективный способ производства энергии, точно так же как глюкоза – не идеальный источник энергии. Идеальный источник энергии – жирные кислоты. Жирные кислоты синтезируются в ходе процесса, называемого бета-окислением (β-окисление). Их сжигание обеспечивает 60–70 % всей энергии, которую вырабатывает и потребляет клетка. Именно здесь в игру вступает L-карнитин – природное вещество, родственное витаминам группы В (о нем мы подробно поговорим в главе 3, которая так и называется: «L-карнитин»). Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для длинноцепочечных жирных кислот, однако эта проблема решается тем, что они проникают в митохондриальный матрикс, где и осуществляется бета-окисление. Нужно подчеркнуть, что L-карнитин – это единственная молекула, способная переносить длинноцепочечные жирные кислоты в матрикс. Без нее наш организм не смог бы использовать длинноцепочечные жирные кислоты для производства энергии.

Продукты бета-окисления поступают в цикл трикарбоновых кислот (точно так же, как это происходит с пируватами после метаболизма глюкозы). В рамках цикла Кребса жирные кислоты и пируваты лишаются электронов, которые передаются соответствующим транспортерам (таким молекулам, как НАДН ФАДН2) и с их помощью поступают в ЭТЦ.

В конечном счете каждая молекула глюкозы в ходе своего полного окисления образует 38 молекул АТФ (две в результате гликолиза и 36 благодаря циклу Кребса и ЭТЦ), а каждая молекула шестнадцатиуглеродной жирной кислоты под названием пальмитат натрия в процессе полного окисления образует 129 молекул АТФ. Неудивительно, что здоровые, полноценно функционирующие клетки предпочитают жирные кислоты в качестве источника топлива.

Эти цифры наглядно показывают, что без обеспечиваемого L-карнитином транспорта жирных кислот мы бы были вынуждены производить АТФ только из глюкозы с ее 38 молекулами АТФ. А без другого ключевого биогенного элемента – кофермента Q10 (как мы помним, эта молекула переносит электроны от комплексов I и II к комплексу III), а также без кислорода у нас оставались бы только 2 молекулы АТФ, синтезируемые посредством гликолиза. Возможно, представленная выше информация дает вам некоторое представление (отчасти интуитивное, если угодно) о значимости специфических биогенных веществ для оптимального функционирования митохондрий. Каждый шаг в процессе синтеза АТФ должен протекать с помощью конкретных биохимических помощников. В случае же их отсутствия клетке приходится производить АТФ в менее эффективном режиме, что плохо сказывается на ее жизнеспособности как целостной системы.

Синтез и круговорот АТФ (цикл АДФ-АТФ)

Несмотря на то что кофермент Q10 и L-карнитин представляют собой важнейшие условия нормальной работы митохондрии, они не могут производить АТФ, если клетка не обладает достаточным количеством АДФ качестве сырого материала. В конце концов, АДФ не появляется из воздуха по мановению волшебной палочки.

При нормальных обстоятельствах цикл АДФ-АТФ миллионы раз каждую секунду совершается в каждой клетке. Однако если запас кислорода исчерпан или ограничен или есть та или другая дисфункция митохондрий, то окислительное фосфорилирование (производство АТФ в митохондриях) прекращается или замедляется, в результате чего клетка использует АТФ быстрее, чем происходит замена топлива. (Мы помним, что окислительное фосфорилирование является основным источником АТФ – только две молекулы АТФ синтезируются вне этого процесса.)

Рис. 2.1. Синтез АТФ посредством соединения двух АДФ. Этот процесс называется аденилаткиназной реакцией, или миокиназной реакцией. Кроме АТФ соединение двух АДФ приводит к появлению молекулы АМФ

Когда это происходит, концентрация АТФ в клетке уменьшается, а АДФ – увеличивается. В попытке исправить ситуацию клетка запускает процесс соединения двух молекул АДФ, вследствие чего в рамках процесса, называемого аденилаткиназной реакцией, формируются одна молекула АТФ и одна молекула АМФ (аденозинмонофосфата).

Эта реакция действительно сокращает количество накапливаемых в клетке молекул АДФ, но одновременно растет и число молекул АМФ. В результате перед клеткой встает задача справиться с обилием АМФ. Она делает это с помощью двух биохимических циклов реакций, продукты которых покидают клетку, что в итоге приносит ей вред, хотя удаление чрезмерного количества АМФ восстанавливает соотношение АТФ-АДФАМФ, общее количество соответствующих соединений в клетке становится гораздо меньше. Другими словами, клетка теряет свой энергетический потенциал вместе с потерей топливного сырья. Хорошим сравнением здесь является батарейка и ее электрическая емкость. Две батарейки ААА могут обеспечить энергией одинаковые устройства, так как обладают идентичными размером и функционалом. Однако время, которое пройдет до их истощения, определяется энергетической емкостью каждой из них и сильно отличается, в зависимости от качества конкретной батарейки. Скажем, батарейка с емкостью 1200 мА/час является более мощной и «держится» дольше, чем батарейка емкостью в 540 мА/час, даже если обе они относятся к батарейкам размера AAA.

Топливные блоки в клетке называются пуринами, и их потеря может иметь для клетки катастрофические последствия. К счастью, в случае дефицита пуринов организм сразу же начинает работать над их восстановлением, однако это длительный процесс, который может начаться только с помощью пятиуглеродного моносахарида D-рибозы.

Есть две биохимические цепочки реакций, в рамках которых происходит синтез D-рибозрибозы (начальный этап восстановления пула пуринов). Первый из них называется путем синтеза пуринов de novo[19]19
  De novo путь – процесс синтеза рибонуклеозид монофосфатов из фосфорибозил пирофосфата, аминокислот, СО₂ и NH₃, а не из свободных оснований.


[Закрыть]. Этот каскад реакций является слишком медленным. Ученые подсчитали, что человеческому сердцу понадобилось бы больше сотни дней для того, чтобы синтезировать все необходимые ему пурины при использовании пути de novo. Организм просто не способен достаточно быстро производить D-рибозу для пути de novo, чтобы преодолеть свое болезненное состояние. Вернемся к нашей метафоре – целлюлозно-бумажному заводу. Создание новой D-рибозы с нуля подобно выращиванию деревьев в течение многих лет (вместо переработки использованной бумаги).

Второй путь может быть назван реутилизационным. При его использовании клетка вместо того, чтобы удалять за свои пределы конечные продукты распада АМФ, сохраняет их в качестве блоков для строительства D-рибозы. Однако и в этом случае скорость синтеза D-рибозы является недостаточно высокой.

Легкое решение проблемы – компенсация недостатка D-рибозы за счет внешних источников типа БАДов. В этом случае с организма снимается ответственность за производство собственной D-рибозы, которая может поступать в него в практически неограниченном объеме и с неограниченной скоростью.

Важность обладания большим запасом (и резервами) энергии позволяет сократить ущерб, возникающий в результате кислородной депривации (например, в случае нарушения кровообращения того или иного органа (напомню, такого рода ситуация называется ишемией), как это случается при инфаркте или инсульте). Мы знаем, что клетки умирают, если митохондрии прекращают вырабатывать энергию. При ишемии уровень кислорода в клетках падает, и митохондрии больше не могут производить энергию посредством окислительного фосфорилирования. Напоминаю, что, по мере того как клетка пытается компенсировать эту потерю с помощью объединения двух молекул АДФ и создания одной молекулы АТФ, растет и концентрация АМФ, вследствие чего клетка должна расщеплять молекулы аденозинмонофосфата, чтобы избавиться от них. Если к моменту нарушения кровообращения энергетический запас соответствующих клеток находится на низком уровне, то они быстро оказываются в катастрофическом положении (а пурины быстро вымываются из цитоплазмы). При наличии же относительно надежного запаса топлива клетка может продержаться сравнительно долго. Величина энергетического запаса определяет степень не подлежащего восстановлению ущерба, который наносится лишенному притока крови органу, будь это мозг, сердце или любой другой функциональный центр организма.

Отсюда следует, что восстановление кровообращения – основная задача при ишемии. Чем быстрее будет восстановлено кровоснабжение пострадавшего органа (и, стало быть, к нормальным значениям вернется уровень концентрации кислорода), тем больше останется пуринов в энергетическом пуле клеток пораженной части организма.

Картина кислородного дефицита является яркой и понятной в таких случаях, как инсульт или инфаркт, однако многие болезни вызываются менее явными нарушениями кровообращения. Речь идет о гипоксии – пониженном содержании кислорода в организме или отдельных органах и тканях. Одной из причин гипоксии является накопление бляшек в сердечных артериях, что приводит к ограничению полноценного кровотока. При гипоксии скорость синтеза АТФ падает, а вымывание пуринов из клеток, наоборот, ускоряется (хотя и в меньшей степени, нежели при выраженной ишемии). Клетки не могут производить столько энергии, сколько требуется для их нормальной работы. У гипоксии множество имен. Например, когда дефицит кислорода возникает в сердечно-сосудистой системе, речь идет о заболеваниях коронарных артерий или о застойной сердечной недостаточности.

Что ж, поскольку мы об этом заговорили, начнем обсуждение темы болезней с нарушений в сердечно-сосудистой системе.

Роль митохондрий в заболеваниях сердечно-сосудистой системы

Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) включают в себя широкий круг болезней и, скорее всего, очень интересуют большинство читателей, представляя наиболее острую проблему современной медицины. Смертность от патологии сердца и сосудов в глобальном масштабе вышла на первое место наряду с опухолями (в зависимости от конкретного региона или страны, ССЗ и онкология меняются местами в топ-листе причин смерти).

Стенокардия, ишемия, застойная сердечная недостаточность, диастолическая дисфункция – все эти проблемы берут начало в нарушении энергетической функции митохондрий. Следует подчеркнуть, что они не только возникают в результате дефицита энергии в клетках, но и в свою очередь приводят к вымыванию пуринов – строительных блоков АТФ – из внутреннего пространства клетки. Когда пурины покидают клетку, они трансформируются в мочевую кислоту: стало быть, высокий уровень мочевой кислоты в организме больного человека с высокой степенью вероятности говорит о нарушениях в синтезе АТФ (важная информация для врача, принимающего решение о выборе способа лечения).

В обычной ситуации без внешней поддержки сердцу требуется примерно две недели (а в некоторых случаях и несколько месяцев) для того, чтобы компенсировать урон в АТФ, вызванный ишемическим приступом (необходимо учитывать еще и то обстоятельство, что помимо восстановления утраченного сердце должно вырабатывать энергию для удовлетворения своих актуальных потребностей). Поэтому большинство больных ишемией нуждаются в особом лечебном питании, которое позволяет сравнительно быстро восстановить внутренний энергетический баланс. Подробно об этом виде терапии мы поговорим в главе 3.

Феномен гладкой мускулатуры

Наибольшая часть нашей сердечно-сосудистой системы состоит из гладких мышц (эти мышцы относятся к непроизвольным мышцам, то есть их сокращение не зависит от сознательного контроля). Давайте поговорим об их значимости, а также о последствиях в нарушении их функционирования. Гладкие мышцы представлены в кровеносных сосудах и коже, а также в органах, в том числе в желудке, кишечнике, мочевом пузыре, дыхательных путях, матке, пещеристых телах пениса и клитора. Кроме того, радужная оболочка и хрусталик глаза содержат сфинктер и дилататор зрачка (гладкие мышцы, регулирующие величину зрачка в зависимости от освещенности), а волосы (кроме волос в области подбородка и лобка) обеспечены специальными мышечными «поднимателями».

Первичным органом контроля гладких мышц являются центры вегетативной нервной системы (ВНС, автономная нервная система находится вне сознательного контроля и управляет непроизвольными действиями организма, включая, например, переваривание пищи). Помимо вегетативной нервной системы гладкие мышцы управляются гормонами и другими локальными химическими сигналами. Гладкие мышцы совершают длительные тонические сокращения и медленные ритмические движения (например, медленные ритмические сокращения гладких мышц желудка, кишечника, мочеточников и других полых органов способствуют перемещению их содержимого; длительные же тонические сокращения гладких мышц сфинктеров полых органов препятствуют произвольному выходу их содержимого). Скелетные мышцы, напротив, находятся под сознательным контролем. Именно их мы напрягаем и расслабляем, решив протянуть руку или сделать шаг.

Сокращение волокон гладких мышц (проявляющееся в уменьшении длины их клеток) – управляемый процесс. Активность некоторых гладких мышц находится на низком уровне при отсутствии внешних стимулов. Такая активность называется тонусом гладкой мускулатуры, и его интенсивность варьирует в зависимости от тех или иных факторов. Держите это в уме, когда мы будем обсуждать, как это связано с такими заболеваниями, как гипертония (раздел «Кофермент Q10»).

Вне зависимости от конкретного стимула сокращение гладкой мускулатуры вызывается потоком ионов кальция, которые проникают в цитозоль из саркоплазматического ретикулума (мембранной органеллы мышечных клеток, главная функция которой – запасание ионов кальция) и связываются с кальмодулином – небольшим кальций-связывающим белком-медиатором кальциевой регуляции. В результате активируется другой белок под названием миозин. Это один из главных компонентов сократительных волокон мышц. При соединении миозина с еще одним белком – актином – образуется актомиозин – основной структурный элемент сократительной системы мышц (при этом головки миозина образуют поперечные мостики, связывающие между собой актиновые и миозиновые нити). Актомиозиновый комплекс обладает АТФазной активностью, то есть способен расщеплять АТФ, при этом высвобождается энергия в значительном объеме, которая необходима для обеспечения мышечной сократительной активности.

Процесс же расслабления гладкой мускулатуры начинается с удаления ионов кальция из цитозоля и активизации фермента, который деактивирует миозин (речь идет о фосфатазе легких цепей миозина (ФЛЦМ), которая дефосфорилирует миозин и препятствует сокращению определенных клеток).

Важность расслабления гладких мышц

Многие не понимают, что расслабление мышц (удлинение мышечных клеток) требует значительного количества энергии. Будь это сознательное решение расслабить скелетные мышцы или непроизвольное расслабление гладкой мускулатуры, этот процесс требует понижения концентрации ионов кальция. Они должны быть выведены из цитозоля в эндоплазматический ретикулум. Однако достижение этой цели подразумевает использование соответствующего насоса и обеспечение его энергией, поскольку ионам кальция приходится преодолевать сопротивление градиента концентрации. Энергия эта, как мы понимаем, производится посредством АТФ. Находящийся в мембране эндоплазматического ретикулума фермент под названием кальций-магниевая АТФаза, будучи активированным, связывает два иона кальция и переносит их во внутреннюю часть эндоплазматического ретикулума, где они «консервируются» для дальнейшего использования.

На поверхности этого ионного насоса находятся два центра связывания АТФ, и АТФ должна быть прикреплена к ним, чтобы они работали. Но здесь есть нюансы. Первый из этих центров обладает высокой аффинностью[20]20
  Аффинность (лат. afifnitas – родственность) – термодинамическая характеристика, количественно описывающая силу взаимодействия веществ.


[Закрыть] связывания с АТФ, и любая молекула аденозинтрифосфата, находящая в пределах его досягаемости, оперативно стыкуется с ним. После этого молекула АТФ расщепляется и превращается в АДФ. Второй же центр связывания не притягивает АТФ с той же легкостью. АТФ состыкуется с ним только в том случае, если энергомолекул столько много, что какая-то из них обязательно да попадет в «лузу». Но это означает необходимость особенно активного синтеза АТФ.

Состояние трупного окоченения – хороший пример того, что расслабление мышц требует больше АТФ, нежели их сокращение. После смерти кислород и питательные вещества больше не доставляются в мышцы, что приводит к остановке производства АТФ. Без достаточного количества АТФ ионы кальция не выводятся из клеток, вследствие чего мышцы больше не могут расслабиться.

Для работы кальций-магниевой АТФазы также необходимы ионы магния. Они связываются с каталическим центром[21]21
  Каталический центр – область активного центра фермента, которая непосредственно участвует в химических преобразованиях субстрата.


[Закрыть] этого фермента, содействуя запуску соответствующих биохимических реакций. Без магния фермент не сможет функционировать, гладкие мышцы – расслабляться (что влечет за собой повышенное кровяное давление, проблемы с сердцем и нарушения дыхания). Если вы слышали, что магний способствует оптимизации работы мышц и их расслаблению, то теперь знаете, почему это так.

Основы физиологии сердца

Давайте теперь обратимся к основной части сердечно-сосудистой системы – собственно, к сердцу. Человеческое сердце состоит из четырех камер: двух предсердий (левое и правое) и двух желудочков (левый и правый). Систола – одно из состояний сердечной мышцы при сердцебиении, а именно сокращение левого и правого желудочков и выброс крови в аорту из левого желудочка и в легочный ствол из правого желудочка. Фракция выброса сердца – это показатель объема крови, выталкиваемой в момент его сокращения систолы в просвет аорты. Рассчитывается фракция выброса исходя из соотношения объема крови, выбрасываемой в аорту, к объему крови, находящейся в левом желудочке в момент его расслабления, – обычно это порядка 50–70 %. Как это ни парадоксально на первый взгляд, сокращение сердечной мышцы требует меньше всего энергии во всем цикле сердцебиения. Дело в том, что все мышечные клетки (как гладких, так и скелетных мышц), включая клетки сердца, способны сокращаться даже при чрезвычайно низком уровне энергии (просто после этого они не смогут расслабиться).

За систолой следует диастола, при которой происходит расширение полостей сердца, вызванное последовательным расслаблением мышц предсердий и желудочков, во время которого оно заполняется кровью. Эта фаза сердечного цикла обычно длится не дольше трети секунды, но требует больше всего энергии. На это есть две причины, о которых мы только что говорили. Во-первых, энергия необходима для «размыкания» связей, установленных во время систолы (периода сокращений), что позволяет мышце вернуться в состояние покоя. Во-вторых, энергия нужна для удаления из клеток ионов кальция.

Без достаточного количества АТФ ионы кальция не могут быть выкачаны из клеток сердечных мышц, а сердце, соответственно, не может расслабляться и в достаточной степени наполняться кровью. Если это происходит, речь идет о диастолической дисфункции. Начальные стадии диастолической дисфункции характеризуются утолщением (гипотрофией) и одеревенением стенок сердечной мышцы (прежде всего, левого желудочка). Сочетание гипертрофии и одеревенения повышает кровяное давление и уменьшает количество крови, выталкиваемой из сердца во время систолических сокращений (пониженная фракция сердца). В результате сердце не может расслабляться и наполняться кровью, что в еще большей степени усугубляет его положение.

Несмотря на сохранение относительно нормальной систолической функции, диастолическая дисфункция – это ранний признак серьезных нарушений работы сердца: застойной сердечной недостаточности. Все кардиологи стремятся сохранить диастолическую функцию своих пациентов, и залогом этому являются обширные запасы АТФ.

Еще один энергозатратный процесс, связанный с сердечной деятельностью, представляет собой поддержание ионного баланса. Между входящим в клетки сердца и исходящим из него потоками должно сохраняться динамическое равновесие, необходимое для сохранения нормального электрохимического градиента, определяющего направление движения ионов через мембрану. Именно электрохимический градиент отвечает за сохранение нормального (регулярного) сердечного ритма. При анормальном электрохимическом градиенте в клетках сердца сердцебиение становится нерегулярным, возникают нарушения частоты, ритмичности и последовательности сокращений отделов сердца (аритмия).

Повышенные энергетические потребности сердца удовлетворяются малыми дозами АТФ. В результате запас АТФ должен постоянно снова и снова пополняться, и в этом заключается функция наших митохондрий. Надеюсь, теперь вы можете оценить, насколько важную роль митохондрии играют в «сердечных» вопросах, в том числе жизни и смерти. Впрочем, вскоре вы увидите, что их значимость выходит далеко за пределы сердечно-сосудистой системы: митохондрии представляют собой ключевой фактор, определяющий состояние практически любой функциональной системы организма.