<<
>>

Образование АКМ в митохондриях

У большинства эукариотических организмов аэробный синтез энергии осуществля­ется в митохондриях - специализированных сложно организованных внутриклеточных органеллах, имеющих двойную мембрану и внутримембранное пространство (матрикс). На сморщенной (инвагинированной) внутренней мембране локализована группа фер­ментов и белков, образующих митохондриальную дыхательную цепь и осуществляющих транспорт электронов от доноров-кофакторов (НАДН и ФАДН2) к молекулярному ки­слороду и образующих АТФ. Подавляющее большинство современных представлений о механизме работы дыхательной цепи основываются на хемиосмотической гипотезе Пи­тера Митчела, согласно которой в процессе дыхания осуществляется направленный пе­ренос протонов из матрикса в межмембранное пространство, а разделительная внутрен­няя мембрана препятствует восстановлению равновесия.

Осмотическая энергия, накоп­ленная в виде разности концентраций протонов, расходуется на химическую работу - синтез АТФ. Помимо основной функции образования АТФ, митохондрии участвуют в синтезе стероидов в коре надпочечников, яичниках, яичках и плаценте, отвечают за про­цесс теплопродукции в клетках бурого жира, участвуют в регуляции Са2+ гомеостаза, играют важную роль в развитии индуцированного разными факторами апоптоза.

По форме и размерам митохондрии напоминают бактерии, они содержат собствен­ную ДНК и мало холестерина, что послужило основой концепции, согласно которой митохондрии появились более миллиарда лет назад в результате симбиоза эукариотиче­ской и прокариотической клеток. При этом внутренняя мембрана митохондрий была сформирована из мембраны поглощенного прокариота, а внешняя - из цитоплазматиче­ской мембраны эукариота «хозяина», потому они имеют разное строение и состав [922]. Предполагается, что первоначальной главной функцией митохондрий являлась защита клеток от токсического действия молекулярного кислорода. Действительно, митохонд­риальная цитохромоксидаза имеет высокое сродство к 02, в результате чего внутрикле­точная концентрация кислорода в большинстве животных клеток значительно ниже его внеклеточного содержания [70]. В процессе эволюции с увеличением содержания моле­кулярного кислорода в окружающей среде доминирующей функцией митохондрий в аэробных клетках стала энергетическая. Количество митохондрий в разных клетках на­ходится в пределах от нескольких штук до тысяч. Наибольшее их количество в пересчё­те на грамм ткани млекопитающих выявляется в миокарде, тканях мозга, мышцах, пече­ни.

Образование О 2, который служит предшественником Н202, в мембранах митохонд­рий было впервые показано Г. Лошен с соавторами в 1974 году [639]. В нормальных условиях при окислительном фосфорилировании в митохондриях менее 5 % молекуляр­ного кислорода преобразуется в АКМ [931]: так, скорости поглощения 02 и образования О 2 в митохондриях интактной печени крысы равны соответственно 10,0 ± 0,49 и 0,20 ± 0,02 нмоль/мин на 1 мг белка [11] (за день одна митохондрия продуцирует около 3 х 107 супероксидных анион-радикалов [838]); в митохондриях мозга крысы скорости погло­щения 02 и образования Н202 составляют 10,2 ± 0,8 и 0,20 ± 0,01 нмоль/мин на 1 мг бел­ка [94]. В клетках миокарда, гепатоцитах и нейронах головного мозга человека митохон­дрии являются главными эндогенными продуцентами О2 и Н202. В физиологических условиях в митохондриях О 2 и Н202 метаболизируются марганцевой изоформой СОД и глутатионпероксидазой, в результате их концентрации сдерживаются на низких уров­нях: около 10 11 М для О 2 и 10'9 М для Н202 [368, 1095].

Генерация АКМ в митохондри­ях может существенно возрастать при нарушении переноса электронов: под действием аллоксана, менадиона, метилфенилпиридина, в результате повышения содержания Са2+ [342], при,ишемии/реперфузии [6, 45, 1042], при старении организма [838, 929]. В мито­хондриях из бычьих эндотелиоцитов продукция О 2 в условиях активного синтеза АТФ (состояние 3) была в 4 раза ниже по сравнению с состоянием 4, когда синтез АТФ отсут­ствовал [351]. Скорости образования О 2 и Н202 митохондриями разных видов насеко­мых [343, 930], птиц [923] и млекопитающих (мышь, крыса, морская свинка, кролик, свинья, корова) [582, 602, 931] обратно пропорциональны средней продолжительности жизни их представителей. Так как митохондрии в той или иной степени представлены во всех клетках млекопитающих и являются главным потребителем кислорода, то можно сделать оценку продукции О ~2 в организме человека (табл. 6).

Сколько О 2 образуется в организме человека [440]

Взрослый человек в состоянии покоя поглощает 3,5 мл 02/кг в минуту; при средней массе тела 70 кг это составляет 352,8 л в день, или 14,7 моль в день. Если 1 % поглощённого 02 переходит в О 2 , это составляет 0,147 моль в день, или 53,66 молей в год, или 1,72 кг в год.

Необходимо отметить, что существуют методические трудности точного измерения генерации АКМ в митохондриях, которые связаны с необходимостью сохранения цело­стности структуры органелл при выделении [722]. Кроме того, митохондрии из разных органов существенно отличаются между собой как по составу, так и по активности элек- тронпереносящих структур, а также содержанию антиоксидантов [955]; в частности, в митохондриях печени крыс активности комплексов I и III в 10 и 6 раз ниже по сравне­нию с их активностью в митохондриях из сердца и мышц [951]. Как правило, экспери­ментальные условия в работах с выделенными митохондриями существенно отличаются от условий нахождения этих органелл в клетках in vivo, поэтому переносить результаты экспериментальных исследований на организм не совсем правильно [735]. Все это при- ^ водит к большому различию как научных результатов, так и научных взглядов на дан­ный вопрос: некоторые исследователи полагают, что в нормальных условиях функцио­нирования клетки АКМ в митохондриях не образуются или образуются в очень малых количествах (0,15 % потребляемого кислорода [951]), другие же считают митохондрии главным источником внутриклеточной генерации Oj и оценивают его продукцию в 4- 5 % поглощаемого кислорода [391, 1095]. В любом случае ни один из исследователей не ' отрицает возможности образования значительных количеств АКМ в митохондриях при патологических состояниях, это подтверждают экспериментальные исследования дейст­вия ингибиторов дыхания на выделенные митохондрии [391].

Как отмечалось выше, продукция О ~2 митохондриями в значительной степени опре­деляется тканевой и видовой принадлежностью. Применение различных ингибиторов и субстратов окисления позволяют идентифицировать .два наиболее эффективных участка наработки АКМ в митохондриях: комплекс I (НАДН-дегидрогеназа, КФ 1.6.5.3, систе­матическое название «НАДН:убихинол-оксидоредуктаза») и комплекс 111 (убихинол- цитохром с-редуктаза, КФ 1.10.2.2, систематическое название «убихинол: феррицито- хром с-оксидоредуктаза») электронтранспортной цепи [194, 236, 998] (рис. 19). ^

NADH

Сукцинат-

Транспорт электронов от комплексов I и II на цитохром с осуществляется через цикл убихинона или коэнзима С? (СоР), существование которого в качестве протонтранспорт- ного механизма было предложено в 1975 году Питером Митчелом [694]. В основе функ­ционирования такого цикла лежит способность убихинона окисляться и восстанавли­ваться (СорН2 о СоР) с высвобождением или поглощением двух протонов и электро­нов. На внутренней мембране митохондрий со стороны матрикса Сор восстанавливается до СорН2, мигрирует на другую сторону мембраны и выводит протоны в межмембран­ное пространство, а электроны поступают в электронтранспортную цепь на цитохромы с\ и с (рис. 20). Так как одноэлектронное окисление СорН2 или восстановление СоР со­провождается образованием реакционных убисемихинонных радикалов (СорН*), то бы­ло сделано предположение, что при окислении СорН2 один электрон поступает на цито­хромы С\ и с, а другой - на цитохромы Ь566 и &562, которые переносят его для восстанов­ления Сор и СорН* [815]. Таким образом, наличие цитохромов Ъ снижает содержание в мембране реакционных СорН*-радикалов. Окисляясь и восстанавливаясь в процессе транспорта электронов, убихинон может восстанавливать молекулярный кислород с об­разованием О 2:

СорН2 + 02 > СорН* + Н+ 4- О "

СорН* 4- 02 > Сор + Н+ + О ■.

Матрикс Внутренняя мембрана Межмембранное

пространство

Рис. 20. Цикл убихинона во внутренней мембране митохондрий

При этом в восстановленном состоянии убихинон может ингибировать супероксид­ный анион-радикал, восстанавливая его до Н202, также как и другие органические ради­калы:

20 2 4- СоРН2 ) Н202 4- 02 + СоР + 2ё

2КОО' + СорН2 э 21ЮОН + Сор.

Таким образом, в митохондриях коэнзим Q является как основным прооксидантом, \ так и главным антиоксидантом [170, 392]. Более того, показано, что О 2 может служить 1 донором электронов в дыхательной цепи митохондрий в нормальных условиях in vivo, восстанавливая CoQ, цитохром с и комплекс IV переноса электронов [646]. Анализ со­держания убихинона и продукции О 2 митохондриями животных разных видов (мышь, крыса, кролик, свинья, бык) показал, что количество связанного с белком CoQ10 обратно коррелирует с продукцией О j [603]. Однако прямой корреляции между общим содер­жанием убихинона в митохондриях и образованием Oj не выявляется. У млекопитаю­щих с низкой продолжительностью жизни отмечена прямая взаимосвязь между домини­рующей формой убихинона (CoQ9) и продукцией О^, однако у животных с высокой продолжительностью жизни наблюдалась обратная корреляция между содержанием C0Q10 и скоростью генерации О ~2 [602]. С возрастом во многих тканях животных содер— жание C0Q9 и C0Q10 падает, и введение экзогенного убихинона оказывает защитное дей­ствие на митохондрии [488]. Ежедневное введение крысам per os солюбилизированной формы убихинона CoQi0 (10 мг на кг массы тела) в течение 6 недель повышало его со­держание в миокарде на 63 %, при этом синтез О 2 митохондриями в присутствии сук­цината и антимицина А был снижен в 4 раза [43]. '

Комплекс I дыхательной цепи является первым звеном окислительного фосфорили­рования в митохондриях, у млекопитающих он включает 43 полипептида общей моле­кулярной массой около 900 кДа, семь белков комплекса кодируются митохондриальной ДНК. В состав комплекса НАДН-дегидрогеназы входят два флавиновых мононуклеоти­да, семь железо-серных кластеров и несколько белков, связывающих CoQ. Некоторые исследователи считают, что в нормальных условиях комплекс I электронтранспортной цепи является главным источником образования Oj в митохондриях нейронов головно­го мозга [997, 393]. В основе такого мнения лежит тот факт, что продукция О 2 макси­мальна при окислении сукцината, являющегося субстратом для II комплекса цепи пере­носа, однако введение рртенона (ингибитор комплекса I) снижает продукцию суперок- сид-аниона. Этот факт объясняется наличием обратного транспорта электронов от сукцината на НАД+ [194, 595]. В субмитохондриальных частицах из бычьего сердца с укороченной в результате экстракции CoQ цепью переноса электронов наблюдалась по­вышенная продукция О j [393] Ответственными элементами за восстановление 02 в со­ставе комплекса I могут быть флавины, сорбирующие атомы водорода с НАДН, железо­серные центры (N1 - N5) или участки связывания убихинона [194]. Применение специ- / фических ингибиторов позволило идентифицировать Fe-S кластеры (Nla и N2) как уча­стки связывания и восстановления 02 [393, 589]. Восстановление кислорода на комплек­се I цепи переноса электронов в наибольшей степени определяется градиентом pH на внутренней мембране и в меньшей степени - мембранным потенциалом [595]. Следует также отметить, что образующийся на комплексе I супероксид-анион мигрирует в мат­рикс и область внутренней мембраны митохондрий, в то время как возникающий в цик­ле убихинона О 2 выделяется преимущественно в межмембранное пространство и цито­плазму [450,951]. Г

В отношении участков дыхательной цепи митохондрий, ответственных за образова­ние О 2 и Н202, сегодня сложилась достаточно парадоксальная ситуация. Восстановле­ние 02 с образованием О 2 показано на разных участках комплекса I дыхательной цепи [393, 589], комплекса II [618] и комплекса III [450, 815], однако на комплексе IV, где происходит связывание молекулярного кислорода с его последующим восстановлением

до Н20, продукции АКМ не наблюдается [997]. Это не согласуется с приведённым нами ранее утверждением, что связывающий 02 активный центр любого фермента может яв­ляться источником образования продуктов неполного восстановления кислорода. Такая несколько необычная ситуация, когда восстановленные эквиваленты комплексов I—III дыхательной цепи могут взаимодействовать с молекулой 02 и переносить на нее один или два электрона, а восстанавливающий 02 комплекс IV продуцирует только Н20, мо­жет быть объяснено высокой специфичностью и высоким сродством цитохромоксидазы к молекулярному кислороду. Однако сегодня имеются достаточно убедительные свиде­тельства того, что помимо 02 акцепторами электронов могут выступать другие молеку­лы, в частности оксиды азота [64]. Кроме того, у цветочных растений, способных к теп­лопродукции, выявлена необычная цианид-резистентная форма цитохромоксидазы, что свидетельствует о структурном разнообразии фермента, в том числе и комплекса IV. Это позволяет надеяться, что в скором времени терминальный комплекс IV дыхательной цепи также будет рассматриваться как один из участников продукции АКМ в митохонд­риях.

В настоящее время нет единого мнения относительно участия и вклада отдельных компонентов митохондриальных цепей переноса электронов в продукцию OJ и Н202, также как не ясны механизмы их инактивации. Интересен вопрос участия в этих процес­сах цитохрома с, так как он не только является переносчиком электронов, но и эффек­тивно окисляет О 2 (k = 107 M'V1), при этом молекулярный кислород 02 возвращается в дыхательную цепь, а электрон передается на терминальный участок цитохромоксидазы [997, 1085]. Цитохром с также способен восстанавливать Н202, а в митохондриях из дрожжей даже присутствует специальный фермент - цитохром с-пероксидаза, которая катализирует восстановление Н202 феррицитохромом с [1106]. Поэтому в митохондриях цитохром с выступает в роли антиоксиданта и регулятора продукции АКМ. Образование О 2 и Н202 дефицитными по цитохрому с митохондриями было в 7-8 раз выше такового у нормальных митохондрий или полученных после реконструкции полноценной дыха­тельной цепи введением экзогенного цитохрома с [1106]. Анализ усиления продукции Н202 митохондриями сердца и мозга крыс в результате удаления цитохрома с показыва­ет, что ответственным за это усиление является комплекс I дыхательной цепи, а точнее железо-серный центр Nia [589]. При действии индуцирующих апоптоз факторов часто наблюдается открытие пор на внешней мембране митохондрий и высвобождение цито­хрома с, что переводит компоненты комплексов I, II и III в восстановленное состояние, повышает продукцию О^, одновременно снижается его ингибирование [224]. Однако усиление продукции О 2 и индукция апоптоза могут наблюдаться и без высвобождения цитохрома с [855].

Помимо убихинона в поддержании концентрации Oj в митохондриях на достаточно низком уровне ~Ю'10 М важная роль принадлежит специфической Mn-СОД, содержание которой в матриксе составляет около 0,3 х 105 М [221]. За счёт высокой концентрации ионов Н+, выводимых из матрикса, в межмембранном пространстве в митохондриях также повышена скорость спонтанной дисмутации и выявляется некоторое количество Cu,Zn-COfl [745] (см. далее раздел «Ферментативные антиоксиданты»). В субмитохонд­риальных частицах с низким содержанием СОД определяемая хемилюминесцентным методом продукция О 2 была в 10 раз выше, чем в исходных митохондриях, выделенных из сердца крыс, что свидетельствует о важности ферментативной утилизации суперок­сидного аниона [815]. В результате эффективной спонтанной и ферментативной дисму-
±1/70 [221].


В отличие от микросом с высоким содержанием каталазы, в митохондриях количест­во этого ферментативного антиоксиданта невелико, а в митохондриях из мышечных кле­ток она вообще не выявляется [997]. Вместе с тем имеются сообщения, что повышенная экспрессия каталазы в цитоплазме и митохондриях инсулин-продуцирующих клеток (RINm5F) повышала их устойчивость к токсическому действию АКМ и провоспали- тельных цитокинов (ИЛ-1 ß, ФНО-а и интерферона у) [435]. Для удаления гидропереки­сей липидов и Н202 в митохондриях служат глутатионпероксидазы (ГПО), в том числе и ГПО гидроперекисей фосфолипидов [737]. Интересно отметить, что содержание Мп- СОД и ГПО на мг белка в митохондриях печени у самок крыс было в 2 раза выше, чем у самцов, в результате чего в митохондриях последних продукция Н202 была на 80 % вы­ше, а содержание окисленных оснований (8-оксо-2'-дезоксигуанозина) митохондриаль­ной ДНК - в 4 раза больше [187]. По-видимому, в защите митохондрий от Н202 и гидро­перекисей липидов ведущая роль принадлежит SH-содержащим соединениям глутатио­ну, пероксиредоксинам 3 и 5, а также тиоредоксину 2, которые эволюционно являются более древними элементами защиты по сравнению с ферментативными антиоксиданта­ми (СОД, каталаза). Фактор некроза опухолей усиливает образование 02 в митохондри­ях [601], что может лежать в основе снижения содержания и окисления внутриклеточно­го глутатиона в лимфоцитах при некоторых иммунодефицитных состояниях [126]. Важ­ная роль в защите митохондрий отводится аскорбиновой кислоте, которая не только ингибирует радикалы, но и участвует в поддержании глутатиона в восстановленном со­стоянии [329]. ~

ЛЗначительную роль в контроле окислительного фосфорилирования в митохондриях и продукции разных форм АКМ играют оксид азота (NOe) и его метаболиты: нитрит (N02) и нитрат (NO“), нитроксил (HNO), пероксщщщит (ONOCT). Эти соединения образуются в клетках в результате работы семейства NO-синтаз и служат для внутри- и межклеточной регуляции, а также микробицидного действия (см. далее «Оксид азота»). Хотя основным местом локализации NO-синтаз является эндоплазматический ретику­лум, фермент также выявляется в митохондриях, выделенных из клеток разных тканей. Структурный анализ и генетическая принадлежность позволяют идентифицировать ми­тохондриальную NO-синтазу как фермент нейронального типа [464]. Действительно, у мышей, нокаутированных по нейрональной NO-синтазе, в митохондриях из кардиомио­цитов продукция NO* была значительно снижена [529]. Однако в других исследованиях NO-синтаза митохондрий была отнесена к эндотелиальному типу, индуцибелыюму типу или вообще не относилась ни к одному из известных типов [591, 1008]. Органеллы из сердца мышей продуцировали NO* со скоростью 0,7-1,1 нмоль/мин/мг белка, что со­ставляло около 56 % всей клеточной продукции в кардиомиоцитах [1008]. В исследова­нии, проведённом на митохондриях из печени, мозга и почек крыс, скорости генерации NO* составили 0,51, 0,45 и 0,42 нмоль/мин/мг белка соответственно [113]. С учётом фи­зиологических условий существования митохондрий в данных органах были получены следующие оценки стационарных концентраций АКМ в матриксе: 20-39 нМ NO*, 0,17- 0,33 пМ О 2 и 0,6-2,2 нМ ONOCT. В присутствии физиологических концентраций L-аргинина (> 20 нМ) интактные органеллы, выделенные из печени крыс, митохондри­альные гомогенаты и субмитохондриальные частицы продуцировали NO* со скоростями 1,4, 4,9 и 7,1 нмоль/мин/мг белка соответственно [400]. Анализ продукции оксида азота в

гомогенатах и субмитохондриальных частицах позволил утверждать, что NO-синтаза локализована преимущественно во внутренней мембране митохондрий. В условиях ишемии или развития окислительного стресса в митохондриях наблюдается нефермен­тативное образование NO* в результате восстановления NO2 [64, 238].

- NO* не имеет заряда и является липофильным соединением, поэтому легко мигриру­ет внутрь мембран и может действовать на разные компоненты дыхательной цепи мито­хондрий. Главными мишенями такого действия активных форм азота являются много­численные железосерные центры компонентов комплекСсТТГжелезосерные и гемовые центры комплекса III, а также связывающие молекулярный кислород Cu-гемовые цен­тры комплекса IV [198, 203, 209]. Отмечается некоторая специфичность взаимодействия активных форм азота с ферментами и компонентами дыхательной цепи; так, перокси- нитрит спосоОён необратимо инактивировать компоненты комплексов I и II, АТФазу, аконитазу и Мп-СОД [813]. В состав комплекса 1 дыхательной цепи митохондрий в клетках животных и человека входит 7 или 8 железосерных центров, которые могут инактивироваться посредством связывания NO\ Длительная, более часа, экспозиция макрофагальных клеток J774 с NO* приводила к обратимому ингибированию комплекса I цени переноса электронов, при этом низкомолекулярные тиолы и интенсивный свет восстанавливали работу цитохромоксидазы [255]. Образующийся при взаимодействии О 2 и NO* пероксинитрит также способен угнетать компоненты комплекса I. При ис­пользовании в качестве субстрата окисления малата/глутамата митохондрии из мозга и печени крыс были высокочувствительны к действию ONOO“ (IC50 ~ 70 MlM), 50-процентное ингибирование в среде с сукцинатом достигалось при концентрациях ONOO выше 500 мкМ [842] (при этом эффект ONOO“ в отношении митохондрий из ! сердца крыс был гораздо менее выраженным). Так как действие NO* на выделенные ми­тохондрии не сопровождалось подавлением комплекса I, то было сделано предположе­ние, что в клетках NO* действует через образование нитрозотиолов или пероксинитрита [189, 810, 842]. Вместе с тем в присутствии аскорбата ингибирующее действие ONOO“ на митохондрии может реализоваться через образование NO* [149]. Нитроксил доста­точно специфично угнетал комплекс II и в меньшей степени влиял на компоненты ком­плекса I, действие HNO может реализоваться через модификацию тиолов [912]. Сниже­ние концентрации NO* в митохондриях наблюдается при его взаимодействии с цитохро­мом с, что вызывает образование ONOO“ и HNO, однако в определённых условиях цитохромом с, наоборот, стимулирует образование NO* [238, 903]. Посредством инакти­вации аконитазы и компонентов комплексов I и II активные формы азота в определен­ных ситуациях могут снижать или усиливать продукцию О 2 [231,759].

В 1994 году три независимые группы исследователей показали, что NO-радикалы быстро и обратимо ингибируют цитохром с-оксидазу посредством связывания с медь- гемовым центром терминального участка цепи переноса электронов [205, 254, 893]. При физиологических концентрациях 02 (30 мкМ) 50-процентное ингибирование достига­лось при 60 нМ NO* [205]. В выделенных из разных тканей митохондриях молекулы NO* эффективно взаимодействуют с восстановленными ионами Си+ и Fe2+ (гем а3 и Сив) комплекса IV, связывающего молекулярный кислород [266]. Взаимодействие активных форм азота с активным центром во многом определяется степенью восстановленности компонентов дыхательной цепи, концентрацией 02, мембранным потенциалом и микро­окружением [198, 266, 879]. Анализ продукции и стационарных концентраций NO* и 02 в митохондриях из разных органов крыс позволил исследователям утверждать, что в

физиологических условиях от 16 до 25 % активности цитохром с-оксидазы подавляется NO-радикалами [113]. Предполагается, что угнетение дыхательной цепи митохондрий оксидом азота носит обратимый характер, однако при длительном действии высоких 1 концентраций NO* или его метаболитов (ONOCT, N0 *, нитрозотиолы) ингибирование становится необратимым [202, 231]. Так как в клетках митохондрии являются главными акцепторами молекулярного кислорода, то обратимое супрессирование эндотелиальным NO* связывания 02 цитохром с-оксидазой увеличивает расстояние диффузии кислорода в ткани [198]. Однако стимуляция при сепсисе индуцибельной NO-синтазы, отличаю­щейся высокой продукцией NO*, может приводить к так называемой «цитопатической гипоксии», которая характеризуется снижением поглощения 02 и синтеза АТФ, вызы­ваемых ингибированием дыхательной цепи митохондрий [352]. Связываясь с компонен­тами цитохром с-оксидазы, активные формы азота не только ингибируют и регулируют работу дыхательной цепи митохондрий, но также могут выступать акцепторами элек­тронов, что имеет важное значение при ишемии в условиях нехватки 02 [64]. Посредст­вом регуляции работы дыхательной цепи митохондрий в клетках NO* может эффективно влиять на развитие апоптоза или некроза при действии разных факторов [158, 159, 188, \ 204]. 4

Относительный вклад в клеточную продукцию О 2 как самих митохондрий, так и 1 компонентов дыхательной цепи значительно отличается для разных органов. Предпола­гается, что комплекс III является основным продуцентом супероксид-аниона в митохон- дриях из сердца и легких [997]; в митохондриях головного мозга, печени и скелетных мышц ответственным за образование О \ является комплекс I [392, 951]. Сравнение раз­ных классов фагоцитирующих клеток (перитонеальные и альвеолярные макрофаги, мо­ноциты, гранулоциты) показывает, что процессы окислительного фосфорилирования наиболее активны в альвеолярных макрофагах, в этих клетках митохондрии являются главным источником супероксидного анион-радикала. Стимуляция альвеолярных мак­рофагов форболовыми эфирами, активирующими НАДФН-оксидазу и протеинкиназу С, может приводить к парадоксальному результату: снижению хемилюминесценции с лю- цигенином, которая в значительной степени зависит от митохондриальной продукции О 2 [833]. Анализ действия на макрофаги специфических ингибиторов электронтранс- портПбТГцепи митохондрий показал, что ингибиторы комплексов I и III ротенон и анти- мицин А снижали продукцию О в то время как KCN, ингибитор комплекса IV, в низ­ких концентрациях (1-100 мкМ) усиливал продукцию супероксид-аниона и люцигенин- усиленную хемилюминесценцию [832]. В выделенных митохондриях антимицин А, по­давляющий перенос электронов с"Цитохрома b на CoQ, усиливал генерацию О \ при окислении сукцината, но при окислении пирувата с малатом - угнетал [630]. Дифениле- ниодоний, который применяется в качестве специфического ингибитора НАДФН- оксидазы, также снижает продукцию Oj и Н202 митохондриями, предположительно посредством действия на НАДН-убихиноноксидоредуктазу [629].

Как эндогенный О 2, образующийся в цепях переноса электронов, так и экзогенный, возникающий в системе «ксантин - ксантиноксидаза», активируют разобщающие окис­ление и фосфорилирование белки (uncoupling proteins, UCP) [326]. Выявленные в на­стоящее время в митохондриях животных и человека разобщающие белки принадлежат к семейству митохондриальных переносчиков, локализованных на внутренней мембране органелл. UCP1 содержится преимущественно в митохондриях из бурого жира, UCP2 представлен во многих тканях и является основным в выделенных из почек митохондри- ^

ях, в скелетных мышцах доминирует иСРЗ. Кроме того, в митохондриях из головного мозга обнаружены иСР4 и 11СР5, а у птиц идентифицирован Ау11СР. Основным предна­значением этих белков считается участие в терморегуляции, однако они могут выпол­нять в организме и другие функции [511]. Одной из таких функций может быть регуля­ция метаболического и энергетического баланса; в частности, белок иСРЗ, по- видимому, контролирует вес тела животного, поскольку снижение его содержания со­провождается ожирением. Однако исследования, проведённые на нокаутированных по иСР2 и иСРЗ животных, показали, что у них не изменены терморегуляция и термогенез, также как потребление энергии и вес тела [457]. Предполагается, что 11СР2 и ИСРЗ слу- / жат для транспорта анионов гидроперекисей жирных кислот, при этом разобщение уси­ливается при увеличении содержания гидроперекисей, что в свою очередь снижает про­дукцию АКМ [405]. Открытый при изучении бурого жира млекопитающих 11СР1, из­вестный также как термогенин, является «классическим» митохондриальным разобщающим белком, специфичным для митохондрий жировой ткани, его активация происходит при повышении уровня жирных кислот. Молекулярная масса термогенина у исследованных видов животных и человека приблизительно равна 33 кДа, у человека в состав иСР1 входит 305 аминокислот, у мыши - 306 аминокислот. Изучение структуры иСР1 показало, что в его состав входят три траисмембранных домена, аналогичная структура выявляется у других белков.

Активация ИСР-белков ингибируется несущими положительно заряженную группу антиоксидантами, синтезированными на основе убихинона Со(Зю, а-токоферола или Г а-фенил-Ы-дяре/я-бутилнитрона, а также хелаторами ионов железа [326, 714]. Действие экзогенного продукта перекисного окисления липидов - 4-гидпоксиноненаля - на мито­хондрии также приводило к активации белков-разобщителей [325]. Это позволяет пред- положить, что активация иСР осуществляется через индукцию процессов ПОЛ (рис. 21).



Рис. 21. Регуляция активности белков-разобщителей посредством активации процессов ПОЛ [714]

Таким образом, синтез 02 и Н202 в цепи переноса электронов посредством актива­ции иСР-белков позволяет снизить митохондриальный потенциал и тем самым умень-| шить продукцию АКМ в условиях высокого содержания восстановителей. Однако про­блема не так проста, в частности, анализ уровня 11СР1 и 11СР2 в митохондриях из эндо- телиоцитов быка не выявил взаимосвязи продукции 02 с экспрессией белков- разобщителей [351]. Усиление продукции О; приводит к ингибированию ферментов, содержащих железо-серные активные центры. К таким ферментам в первую очередь относятся аконитаза, участвующая в цикле трикарбоновых кислот, а также НАДН- ^ депщрогеназа (комплекс I). Ингибирование аконитазы супероксид-анионом и переки­сью водорода может быть обратимым посредством высвобождения а-атома Ре из кла­стера [4Ре - 4Б]2+, инактивация фермента также может происходить за счёт диссоциации комплекса аконитазы с мембранными белками; при длительном воздействии Н202 и 02 наблюдалась необратимая деградация фермента [214]. Высокая продукция АКМ может вызывать повреждения митохондрий, индуцировать митоптоз, а также служить причи-

ной клеточного апоптоза [72]. Повреждения, которые накапливаются в митохондриях мозга и мышц при действии АКМ, могут быть причиной развития возрастных патологий [880]. Более того, высказывается предположение, что уровень продукции АКМ в мито­хондриях определяет темп жизни и задает стратегию эволюционного развития [71]. В частности, одной из причин большей продолжительности жизни женщин по сравнению с мужчинами является относительно низкий уровень Н202 и более высокое содержание глутатиона, глутатионпероксидазы и Mn-СОД в митохондриях [1025].

<< | >>
Источник: Меныцикова Е. Б. и др.. Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты / Е.Б. Меныцикова, В.З. Ланкин, Н.К. Зенков, И.А. Бондарь, Н.Ф. Круговых, В.А. Труфакин. - М.: Фирма «Слово»,2006. - 556 с.. 2006

Еще по теме Образование АКМ в митохондриях:

  1. ИЗМЕНЕНИЯ ФУНКЦИЙ МИТОХОНДРИЙ
  2. Митохондриальные болезни (болезни дыхательной цепи митохондрий)
  3. Образование
  4. Полиповидные образования
  5. Образование и обновление
  6. Образование нейтрофилов
  7. Образование и ингибирование ИЛ-1(табл. 18 и 19)
  8. ОБРАЗОВАНИЕ НАСЕЛЕНИЯ И БАРЬЕРНАЯ КОНТРАЦЕПЦИЯ
  9. Упражнения на растягивание СОЕДИНИТЕЛЬНОТКАННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ
  10. ОСНОВНЫЕ ПУТИ ОБРАЗОВАНИЯ ГИСТАМИНА В ОРГАНИЗМЕ
  11. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОБРАЗОВАНИЯ ИНТЕРСТИЦИАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ
  12. 14.5. Выстрел и механизм образования огнестрельных повреждений
  13. VI. Лучевая диагностика остаточных медиастинальных образований у больных лимфогранулематозом
  14. 9.16. ПОЛОЖЕНИЕ О НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОМ СОВЕТЕ ПО КОРРЕКЦИОННО-ПЕДАГОГИЧЕСКИМ ПРОБЛЕМАМ ДОШКОЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
  15. Система образования кининов Р.К. ВИГИНС, КГ. КОХРЕЙН (R.C. WIGGINS, C.G. COCHRANE)