за счет какого механизма повышается кпд митохондрий при практике задержек дыхания
PGC-1α — тренер митохондрий
Наши мышцы обладают удивительной способностью приспосабливаться к интенсивности работы, которую на них возлагают. Канадские ученые сделали очередной шаг в понимании механизма такой адаптации. Теперь мы знаем, что когда мы совершаем легкую утреннюю пробежку или катаемся на коньках, в наших мышцах небольшой белок PGC-1α перемещается из цитоплазмы в митохондрии, активируя гены, необходимые для обеспечения нас энергией.
Гиподинамия — один из факторов риска развития сердечнососудистых заболеваний, диабета 2-го типа, ожирения и гипертонии — заболеваний, которые получили широкое распространение в современном мире. Результаты клинических исследований показывают, что физическая активность (особенно выполнение упражнений на выносливость) снижает риск развития хронических заболеваний и продлевает жизнь. Оказалось, что это связано с балансом энергетического метаболизма. Как известно, за получение энергии в наших клетках отвечают митохондрии. При длительной физической нагрузке в клетках сердечной и скелетных мышц, мозга, печени и жировой ткани увеличивается количество митохондрий. Это хорошо известный феномен, и его молекулярные основы сейчас интенсивно изучаются.
Для создания и работы митохондрии требуется около 1500 различных белков. Хотя эти органеллы и обладают собственным геномом, часть необходимых белков закодирована в ядре. Следовательно, чтобы собрать митохондрию, необходимо координировать экспрессию ядерных и митохондриальных генов.
Регуляция экспрессии генов — работа белков, которые называются факторами транскрипции. Они могут связываться с регуляторными областями генов (промоторами), способствуя посадке на них фермента РНК-полимеразы, которая и синтезирует мРНК, по которой затем будет синтезирован белок.
Факторы транскрипции работают не в одиночку, им нужно множество белков-помощников. Один из них — PGC-1α. Известно, что при выполнении физических упражнений количество этого белка в клетке увеличивается, и он перемещается из цитоплазмы в ядро. PGC-1α запускает экспрессию ряда факторов транскрипции. Затем они активируют гены ядерного и митохондриального генома, необходимые для построения митохондрии.
Недавно выяснилось, что PGC-1α может проникать не только в ядро, но и в митохондрии, где он мог бы участвовать в активации генов митохондриального генома. У митохондрии есть специальный фактор транскрипции — Tfam, который активирует только гены митохондриального генома. До сих пор не известно никаких белков, которые бы помогали ему в этом процессе. Поэтому логично проверить, не окажется ли PGC-1α белком-коактиватором Tfam.
Исследователи из Канады, чья работа опубликована в недавно вышедшем номере Journal of Biological Chemistry, решили изучить роль транспорта PGC-1α в митохондрию при выполнении физической нагрузки.
Исследователи разделили мышей на три группы. Первая была контрольная (SED, от sedentary, «малоподвижный»), мыши из этой группы вели малоподвижный образ жизни — сидели в своих клетках. Мыши из второй (END, от endurance, «выносливость») и третьей (END+3) группы совершали интенсивную физическую работу — бегали по беговой дорожке со скоростью 15 м/мин. в течение 90 минут. К концу этого времени мыши были практически обессилены. Мыши из группы END сразу же отправлялись на экспериментальные процедуры, а мышам из группы END+3 давали перед этим 3 часа, чтобы восстановиться.
Оказалось, что у мышей в группах END и END+3 (то есть после нагрузки) повышена экспрессия митохондриальных и ядерных генов (рис. 2). Среди них были гены различных субъединиц НАДН-дегидрогеназы, цитратсинтазы, цитохрома с, а также некоторые другие. Общее для этих белков — то, что все они обеспечивают получение энергии в митохондриях.
Кроме того, увеличилась экспрессия митохондриального фактора транскрипции Tfam и коактиватора PGC-1α. Таким образом, при увеличении физической нагрузки мышцы стремятся приспособиться к возросшим энергетическим потребностям, увеличив количество ферментов, использующихся при получении энергии.
Чем обусловлено такое усиление экспрессии? Не может ли в этом процессе принимать участие PGC-1α? Исследовав количество этого белка до (мыши группы SED) и после (мыши группы END и END+3) нагрузки, ученые пришли к выводу, что его количество во время нагрузки не меняется. Это неудивительно, несмотря на то, что количество мРНК для белка увеличилось. Такой механизм, когда мРНК запасается в клетке до определенного момента, хорошо известен.
Значит, если PGC-1α и участвует в изменении экспрессии, то каким-то другим способом. Например, общее количество белка в клетке может не меняться, но он может просто перераспределяться между разными частями клетки. Ранее уже было показано, что PGC-1α обнаруживается в митохондриях, но какую роль он там играет, было неясно.
Поэтому ученые проверили содержание белка в митохондриях и в ядрах у мышей из разных групп (рис. 3). Оказалось, что количество белка в этих органеллах существенно увеличивается сразу после нагрузки (группа END), а также продолжает расти после нее (группа END+3). Следовательно, миграция PGC-1α в ядро и в митохондрии может быть причиной активации генов в ответ на физическую нагрузку.
Однако сам по себе PGC-1α — не фактор транскрипции, а его помощник. Известно, что у митохондрии есть свой собственный фактор транскрипции Tfam. Ученые предположили, что PGC-1α может связываться с Tfam и таким образом участвовать в активации экспрессии генов митохондрии. Оказалось, что в клетках мышей из группы END и END+3 количество белка PGC-1α, взаимодействующего с Tfam, увеличивается. Следовательно, PGC-1α может взаимодействовать с фактором транскрипции Tfam, усиливая его активность.
В итоге складывается следующая картина. Когда клетки мышц заняты длительной физической работой, их энергетические потребности увеличиваются. Клетки пытаются приспособиться к новым условиям. Для этого им необходимо увеличить количество митохондрий или количество ферментов, обеспечивающих синтез АТФ в уже существующих митохондриях. Следовательно, необходимо активировать экспрессию генов, причем как в ядре, так и в митохондриях. Поэтому PGC-1α перемещается в ядро и в митохондрии, где помогает факторам транскрипции активировать работу генов. Таким образом, PGC-1α является частью механизма, помогающего мышцам адаптироваться к длительным нагрузкам.
Какова природа сигналов, заставляющих PGC-1α перемещаться в митохондрию и ядро? Ученые предполагают, что это, во-первых, какая-либо модификация белка. Например, фосфорилирование под действием клеточных киназ. Сами эти киназы могут активироваться активными формами кислорода. А, как известно, при интенсивной работе увеличивается скорость дыхания митохондрий, что приводит к увеличению количества активных форм кислорода.
Еще один вопрос связан с механизмом проникновения PGC-1α в митохондрию. Через ее мембраны могут проходить белки, имеющие специальную сигнальную последовательность. В PGC-1α ее обнаружено не было. Однако, возможно, PGC-1α может цепляться к белкам, у которых такой сигнал есть, и таким образом проникать в органеллу.
Все эти вопросы имеют не только чисто научное значение. Сегодня PGC-1α рассматривается как одна из мишеней для лечения заболеваний, связанных с митохондриями. Например, небольшое увеличение экспрессии PGC-1α в мышцах приводит к ослаблению атрофии, облегчает течение мышечной дистрофии Дюшенна, болезни Паркинсона и Хантингтона. Кроме того, PGC-1α способствует сохранению нервно-мышечных синапсов, снижению жировых отложений и воспаления, помогает поддерживать в норме уровень глюкозы и инсулина в крови. Следовательно, нарушение локализации PGC-1α может быть связано со всеми подобными патологиями.
В будущем, когда для лечения болезней будет опробована генная терапия с использованием PGC-1α, возникнет проблема его правильной локализации. И тогда, возможно, именно физические упражнения могут быть единственным и достаточно безопасным способом достигнуть этого эффекта.
Источник: Adeel Safdar, Jonathan P. Little, Andrew J. Stokl, Bart P. Hettinga, Mahmood Akhtar, Mark A. Tarnopolsky. Exercise Increases Mitochondrial PGC-1α Content and Promotes Nuclear-Mitochondrial Cross-talk to Coordinate Mitochondrial Biogenesis // Journal of Biological Chemistry. 2011. V. 286 (12). P. 10605–10617.
Методы гиперплазии миофибриллярных митохондрий
В. Н. Селуянов, В. А. Рыбаков, М. П. Шестаков
Глава 4. Методы управления адаптационными процессами
4.4. Методы гиперплазии миофибриллярных митохондрий
Цель аэробной подготовки развитие в мышечных волокнах митохондрий. Митохондриальный белок синтезируется на 85–95 % в цитоплазме и только 5–15 % белкового содержимого является продуктом собственно митохондриальной трансляции (Ленинджер А., 1966; Лузиков В. Н., 1980).
Белки, синтезируемые на митохондриальных рибосомах, включаются во внутреннюю митохондриальную мембрану. Внешняя мембрана, межмембранное пространство и матрикс комплектуются белками, продуцируемыми на цитоплазматических рибосомах. Набухание митохондрий является одним из проявлений их деградации. Причиной набухания митохондрий могут быть (Лузиков В. Н., 1980; Шмелинг с соав., 1985; Friden et al, 1988; Gollnick et al., 1986) нарушения трансформации энергии (например, за счет исчерпания эндогенных субстратов, при подавлении переноса электронов, при изменении проницаемости внутренней мембраны по отношению к водородным ионам). Предполагается, что исчерпание внутримитохондриального запаса АТФ вызывает набухание митохондрии, что приводит к разрыву внешней мембраны и растеканию компонентов в межмембранное пространство. Имеется естественное старение митохондрий и отдельных ее компонентов (время полужизни — от 1 до 10 суток). Формирование митохондрий в клетке контролируется на основании принципа отбора по функциональному критерию. Согласно этому принципу, митохондриальные структуры, собранные так, что они не могут эффективно трансформировать энергию, элиминируются в ходе митохондриальной дифференцировки (Лузиков В. Н., 1980).
Одним из естественных факторов, приводящих к деструктурированию митохондрий, является гипоксия (например, пребывание в среднегорье) и сопровождающий ее анаэробный метаболизм. В условиях кислородного голодания ухудшаются показатели капилляризации скелетных мышц, появляется внутриклеточный отек, очаговые нарушения сократительного (миофибриллярного) аппарата, деструктивно дегенеративные изменения митохондрий, расширение саркоплазматического ретикулума и резкое снижение содержания гликогена (Шмелинг с соав., 1985)
Аналогичные структурные перестройки имеют место при проведении гликолитических тренировок.
Суммирование положений многочисленных исследований позволяет сделать следующее обобщение:
— митохондрии являются энергетическими станциями клетки, поставщиками АТФ за счет аэробного метаболизма;
— синтез превышает распад митохондрий в случае интенсивного их функционирования (окислительного фосфорилирования);
— митохондрии имеют тенденцию к образованию в тех местах клетки, где требуется интенсивная поставка энергии АТФ;
— усиление деструктуризации митохондрий происходит в условиях интенсивного функционирования клетки с привлечением анаэробного метаболизма, вызывающего значительное или длительное (как в условиях высокогорья) накопление в клетке и в организме ионов водорода.
В соответствии с этими положениями можно разработать методику аэробной подготовки мышцы.
Каждую скелетную мышцу можно условно разделить, например, на три части:
— регулярно активируемые — те мышечные волокна, которые активируются в повседневной жизни (ОМВ);
— обычно активируемые только в условиях тренировок, при средних напряжениях мышц (ПМВ);
— редко активируемые — включаются в работу только при выполнении максимальных усилий, например, при выполнении прыжков, спринта (ГМВ).
Мышечные волокна, которые регулярно рекрутируются (ОМВ) с предельной для них частотой импульсации, имеют максимальную степень аэробной подготовленности. Максимальная степень аэробной подготовленности ОМВ достигается в том случае, когда все миофибриллы оплетаются митохондриальной системой так, что образование новых митохондриальных структур становится невозможным. Такое явление хорошо показано для миокардиоцитов (Физиология и патофизиология сердца, 1990; Хоппелер Г., 1987). Гипертрофия миокардиоцита не сопровождается увеличением концентрации ферментов аэробного метаболизма. Косвенно эту точку зрения подтверждают многочисленные исследования, посвященные влиянию аэробной тренировки, выполняемой с мощностью до аэробного порога (Аулик И. А., 1990; Зациорский В. М., 1970; Карпман В. Л., 1974, 1978, 1982, 1985, 1988 и др.). Все эти исследования убедительно показывают, что эффективность таких тренировок для уже подготовленных спортсменов равна нулю.
Следовательно, для повышения аэробных возможностей ОМВ необходимо создать в МВ структурную основу новые миофибриллы; после этого около новых миофибрилл образуются новые митохондриальные системы. Если согласиться с этим методом повышения аэробных возможностей, то увеличение силы (гиперплазия миофибрилл) ОМВ должно привести к росту потребления кислорода на уровне АэП и АнП.
Эффективными для повышения МПК или потребления кислорода на уровне АнП являются непрерывные упражнения на уровне АнП или повторный метод тренировки с мощностью работы на уровне МПК. В этом случае рекрутируются как ОМВ, так и более высокопороговые ПМВ, в которых мало митохондрий. Увеличение мощности требует рекрутирования все более высокопороговых ДЕ, в МВ которых преобладает анаэробный гликолиз, что ведет к закислению ГМВ, а затем ОМВ и крови. Закисление ГМВ и ПМВ ведет к деструктивным изменениям в митохондриях, снижению эффективности аэробной тренировки.
Теоретически рассчитанные митохондриальные изменения под влиянием продуктов анаэробного гликолиза совпадают с теми наблюдениями, которые имеют место при ишемии (Friden, 1984; Hoppeler Н., 1986). В этом случае многочисленные ненормальные митохондрии были заметны под сарколеммой. Эти митохондрии имеют увеличенную плотность, измененную форму и паракристаллические включения. Кристаллические включения в митохондриях обнаруживаются при различных патоло-гических состояниях (смотрите, например, обзор Carpenter and Karpati, 1985). Это дает основание к предположению, что структурно нарушенные клетки не могут функционировать нормально. Полирибосомы располагаются либо под сарколеммой, либо рядом с поврежденными миофибриллами; предполагается их участие в процессе реконструкции поврежденного материала. Авторы делают вывод, что частое использование такого варианта тренировки может привести к серьезным повреждениям в мышцах.
Одним из аргументов против предложенной методики увеличения аэробных возможностей ОМВ за счет роста силы (МФ) является мнение: с увеличением размера МВ затрудняется процесс диффузии О2 к центру МВ. Однако, исследования Т. Gayeski e. a. (1986) показали, что рО2 не коррелирует с диаметром МВ. Минимальное рО2 наблюдается не в центре МВ. Эти экспериментальные данные хорошо воспроизводят модели, которые учитывают облегченную диффузию кислорода внутрь МВ посредством миоглобина (Р. Stroeve, 1982). Следовательно, размер МВ не является препятствием к росту аэробных возможностей ОМВ.
Правила методики аэробной подготовки могут быть представлены так:
— интенсивность: не превышает мощности АнП;
— продолжительность: 5–20 мин., большая продолжительность может привести к значительному закислению крови и ПМВ в случае превышения заданной мощности;
— интервал отдыха: 2–10 мин., необходим для устранения возможного закисления организма;
— максимальное количество повторений в тренировке ограничивается запасами гликогена в активных мышцах (примерно 60–90 мин. чистого времени тренировки);
— тренировка с максимальным объемом повторяется через 2–3 дня, т. е. после ресинтеза гликогена в мышцах.
Высокую эффективность имеет вариант аэробной подготовки, который в последнее время получил большое распространение в практике подготовки спортсменов в циклических видах спорта. Это тренировки, требующие проявления «мышечной выносливости». Смысл их заключается в том, что в циклическом упражнении каждое сокращение мышцы должно выполняться с околомаксимальной интенсивностью, но средняя мощность упражнения не должна превышать мощности АнП. В этом случае в упражнении активны все или почти все МВ, однако, благодаря управлению паузой отдыха или периодом расслабления мышцы, должно полностью обеспечиваться устранение продуктов метаболизма анаэробного гликолиза.
Упражнения с околомаксимальной мощностью сокращения мышц и редким темпом изучали J. Karlsson e. a. (1981). Было показано, что упражнения с темпом 4 максимальных сокращения в минуту вызывают снижение концентрации АТФ на 20 %, КрФ — на 40 %, концентрация лактата в мышце увеличивается до 4,5 мМ/л. В целом упражнение было аэробным, энергия поступала из эндогенного гликогена ОМВ и ГМВ. Экспериментальные данные эффективности скоростно-силовой интервальной тренировки были получены так же Алексеев Г. ВА., 1981; Волков Н. И., 1990, 1995; Cheetham M. et al, 1984; Holmyard D. Et al., 1987; Jacobs I. Et al., 1983; Thorstensson A. Et al., 175, 1976).
Рост аэробных возможностей может происходить на основе увеличения силы ММВ, т. е. можно заниматься статодинамическими упражнениями для гиперплазии миофибрилл в ММВ, и одновременно будут разворачиваться процессы по обеспечению новых миофибрилл новыми митохондриями. Это предположение подтверждается результатами экспериментов С. К. Сарсании (1972).
Студенты-добровольцы ИФК были разбиты на две группы: экспериментальную и контрольную. Обе группы выполняли одинаковую программу силовых упражнений с напряжением мышц 60 % произвольного максимума (ПМ). Упражнения выполнялись по кругу (круговая тренировка) на мышцы-разгибатели рук, сгибатели рук, разгибатели ног, разгибатели спины, мышцы живота. В каждом подходе груз медленно поднимался 10 раз, последние два раза выполнялись с явным локальным утомлением, но не до отказа. Каждый испытуемый проходил три круга. В неделю было 3 тренировки, тренировались 4 недели. Экспериментальная группа (8 человек) принимала анаболические препараты (ритоболил или нейробол) по 0,18 мг/кг массы тела (терапевтическая доза). В контрольной группе был прием плацебо в виде комплекса витаминов.
До и после эксперимента все испытуемые прошли антропометрическое и функциональное тестирование в ступенчатом тесте с определением потребления кислорода.
В контрольной группе произошли изменения по всем показателям, однако достоверность различий была менее 90 %. Применение анаболических препаратов ускорило ход анаболических процессов, что позволило получить статистически достоверные различия (Р>99 %) по всем зарегистрированным показателям. К наиболее интересным результатам следует отнести:
1) Увеличение силы всех мышечных групп на 25 %, что составило 2 % за одно занятие. Когда силовая тренировка идет без применения стимуляторов, то средний прирост составляет за трнировку. Тощая масса увеличилась на 3,55 кг.
2) Уменьшение массы общего жира на 0,88 кг. Стресс стимулирует выход в кровь гормонов гипофиза и активизирует симпатическую нервную систему. В результате начинается выделение гормонов мозгового вещества надпочечников (катехоламинов) — адреналина и норадреналина (норадреналин также выделяется из окончаний симпатической нервной системы). Эти гормоны, а также тестостерон и соматотропин, стимулирует выход жирных кислот из жировых депо в кровь. Повышенная концентрация гормонов и полирибосом удерживается в тканях тела в течение что повышает основной обмен и использование жирных кислот из жировых депо для функционирования сердца, дыхательных мышц и пластических процессов в скелетных мышцах.
3) Увеличилось потребление кислорода (МПК) на 0,231 мл О2 и мощность на пульсе 170 уд/мин на 22,7 Вт (136 Кгм/мин). Увеличение потребления кислорода (МПК) и мощности PWC-170 подтверждает ранее высказанное предположение о том, что с ростом силы ОМВ, т. е. с ростом в них числа миофибрилл, создаются морфологические предпосылки для разрастания всех необходимых для деятельности клетки органелл (теория симморфоза), поэтому увеличивается саркоплазматический ретикулум и митоходрии. Изменение последних было зафиксировано в виде прироста МПК и мощности PWC-170.
Совокупность изменений в результате применения статодинамических упражнений дает основание к предположению о высокой эффективности применения их в физической подготовке борцов.
За счет какого механизма повышается кпд митохондрий при практике задержек дыхания
С целью изучения состояния регуляторных систем при задержке дыхания нами было обследовано 48 человек в возрасте 19,2 ± 0,7 года. Перед началом задержки дыхания у испытуемых измеряли длину и массу тела, электропроводность кожи, артериальное давление, частоту сердечных сокращений, на основании которых произвели расчет систолического объема и минутного объема кровотока, проводили запись ЭКГ.
Нами было отмечено, что время задержки дыхания имеет достоверную прямую корреляционную связь с длиной тела и систолическим артериальным давлением и не зависит от объемной скорости кровотока. По завершению проб на задержку дыхания, а также в конце восстановительных периодов проводили регистрацию гемодинамических показателей, электропроводности кожи, рассчитывали производные от них. После задержки дыхания на вдохе (пробы Штанге) произошло достоверное увеличение систолического артериального давления, систолического объема, МОК и электропроводности кожи, после задержки дыхания на выдохе (пробы Генча) увеличились систолическое артериальное давление и электропроводность кожи.
Далее нами проведен статистический, геометрический и спектральный анализ основных показателей вариабельности сердечного ритма (ВСР) с помощью программы ИСКИМ6 на основании записи ЭКГ аппаратным комплексом «Варикард 2.51». Исследования проводили перед выполнением проб, во время их выполнения и в восстановительные периоды. Было установлено, что задержка дыхания приводит к снижению доли высокочастотного компонента ВСР и увеличению низкочастотного. Отмечается также увеличение суммарного эффекта регуляции.
Таким образом, в ходе выполнения проб с задержкой дыхания происходит снижение парасимпатических влияний и увеличение симпатических, возрастает доля центральных механизмов, которые начинают доминировать над автономным контуром. Реакция организма обеспечена также и миогенными механизмами регуляции. Результаты исследования следует рассматривать как напряжение адаптивных механизмов в ответ на предъявляемую нагрузку.
За счет какого механизма повышается кпд митохондрий при практике задержек дыхания
Цель исследования
Произвести обзор существующих в современной литературе данных и гипотез о сайтах и механизмах продукции АФК при пермеабилизации внешней мембраны митохондрий.
Комплекс I дыхательной цепи митохондрий
Комплекс I (НАДН-убихинон оксидоредуктаза) является одним из главных мест продукции АФК в митохондриях. Считается, что основными сайтами генерации АФК в нем выступают флавинмононуклеотид НАДН-связывающего сайта (сайт If), и убисемихинон коэнзим Q-связывающего сайта (сайт Iq) [9]. Продукция супероксида на сайте If происходит во время прямого транспорта электронов, когда ФМН находится в сильно восстановленном состоянии и зависит от соотношения НАДН/НАД + в матриксе. Ингибитор коэнзим Q-связывающего сайта ротенон увеличивает продукцию супероксида, так как вызывает возвращение электронов на ФМН. Продукция супероксида на комплексе I также происходит во время обратного транспорта электронов, когда пул коэнзима Q полностью восстановлен [10].
При патологических условиях увеличение эффективности АФК-генерирующих сайтов комплекса I могут быть связаны с его конформационными перестройками. Открывание mPTP сильно снижает ротенон-чувствительную активность НАДН-убихинон редуктазы и увеличивает продукцию Н2О2 в присутствии ≥50 µМ НАДН [8]. НАДН-убихинон оксидоредуктаза характеризуется медленным переходом из активного состояния в неактивное и наоборот. Это предполагает большие конформационные перестройки комплекса, по крайней мере той его части, которая вовлечена в ротенон-чувствительное восстановление убихинона [11]. Было показано, что комплекс I, выделенный из сердца крыс, подвергшегося 30-минутной аноксичной перфузии, переходил в неактивное состояние и возвращался к активному после реоксигенации [12]. Авторы предположили, что эти конформационные перестройки могут быть связаны с генерацией АФК после того, как ткани сердца, подвергшиеся коронарной окклюзии, реоксигенируются. Переход комплекса в неактивное состояние сопровождается специфическим демаскированием Cys39 субъединицы ND3 [13]. Было показано, что нитрозирующие соединения, обратимо модифицирующие данный цистеин, могут использоваться в качестве фармакологической защиты от генерации АФК при реперфузии [14].
Комплекс II дыхательной цепи митохондрий
Комплекс II, или сукцинат-убихинон оксидоредуктаза, является тетрамерным, содержащим железо-серные кластеры флавопротеином внутренней мембраны митохондрий. Он одновременно участвует в работе цикла Кребса и дыхательной цепи, осуществляя превращение сукцината в фумарат и восстанавливая убихинон до убихинола.
Возможность образования АФК флавином фумаратредуктазы E. coli (сайт IIf) в присутствии низких концентраций дикарбоновых кислот впервые была показана в работе [15]. Впоследствии продукция АФК была продемонстрирована на субмитохондриальных частицах митохондрий бычьего сердца [16] и скелетных мышц [17]. Ингибитор комплекса II атпенин А5 и ингибитор комплекса III стигмателлин, который блокирует окисление убихинола комплексом III, стимулируют продукцию АФК комплексом II в присутствии сукцината. Малонат, напротив, ингибирует генерацию АФК комплексом II, что указывает на то, что АФК образуются на полностью восстановленном флавиновом сайте IIf [16], хотя не исключены и другие сайты [18]. Зависимость продукции перекиси водорода от концентрации сукцината имеет колоколообразную форму: уровень перекиси растет с увеличением концентрации субстрата до 400 μМ, затем значительно снижается при миллимолярных концентрациях, обычно используемых для энергизации митохондрий. Причиной этого явления является то, что комплекс II генерирует АФК только тогда, когда его флавиновый сайт IIf не занят дикарбоновыми кислотами [16]. Cукцинат и другие интермедиаты цикла Кребса, которые взаимодействуют с сайтом связывания дикарбоновых кислот, могут ограничивать доступ к нему кислорода и, таким образом, подавлять продукцию АФК комплексом II. Уровень сукцината и фумарата в матриксе увеличивается во время ишемии/гипоксии, однако это не предотвращает образование АФК. Напротив, было показано, что аккумулирование сукцината во время ишемии сильно коррелирует с продукцией АФК и повреждениями при реперфузии [19]. Авторы предположили, что главным источником АФК в данных условиях является обратный поток электронов через комплекс I [10]. Однако, в условиях длительной ишемии, когда мембраны полностью деполяризуются, данный механизм вряд ли осуществим. Альтернативный механизм генерации АФК предполагает получение доступа кислорода к восстановленному сайту IIf из-за снижения содержания дикарбоновых кислот в его непосредственной близости в результате ускорения выхода сукцината и фумарата из матрикса при индукции mPTP [6]. Данный механизм требует ингибирования комплекса II на уровне восстановления убихинона либо ингибирования окисления убихинола комплексом III.
Конформационные перестройки комплекса II также могут способствовать всплеску АФК при пермеабилизации мембран. Было показано, что при понижении внутриклеточного рН, наблюдающегося при апоптозе, происходит диссоциация комплекса II: субъединицы сукцинатдегидрогеназы SDHA и SDHB, осуществляющие окисление сукцината до фумарата и перенос электронов через железо-серные кластеры, отделяются от сайта восстановления коэнзима Q сукцинат CoQ оксидоредуктазы (SQR) [20]. Это приводит к ингибированию активности SQR, при этом сукцинатдегидрогеназная активность остается в норме. Такая диссоциация приводит к прямому одноэлектронному восстановлению кислорода железо-серным кластером комплекса II. И хотя известно, что низкий рН является ингибитором mPTP, тем не менее данный механизм всплеска АФК может иметь место при ишемии, когда происходит падение рН. В это время могут происходить конформационные перестройки комплекса II, и впоследствии, при реперфузии, когда рН восстанавливается до исходного уровня, открывается mPTP и наблюдается всплеск АФК, образуемых на диссоциированном комплексе.
Комплекс III дыхательной цепи митохондрий
Роль пиридиновых нуклеотидов в генерации АФК
Раннее было показано, что окисление НАД(Ф)Н матрикса митохондрий предшествует открыванию mPTP [22]. Кроме того, индукция поры приводит к утечке пиридиновых нуклеотидов в цитозоль клетки [23]. Данное изменение баланса НАД(Ф)Н должно влиять на продукцию АФК при пермеабилизации митохондрий. Зависимость генерации АФК от концентрации НАДН была исследована группой А. Виноградова. Было показано, что максимальная продукция супероксида достигает максимума при концентрации НАДН 10-50 μМ, при миллимолярных концентрациях продукция радикала тормозится [11]. Так как физиологические концентрации НАДН/НАД + пары матрикса находятся в миллимолярном диапазоне, то вклад комплекса I в генерацию АФК в нормальных условиях может быть незначительным. Было обнаружено, что в пермеабилизованных митохондриях происходит высокая, зависящая от отношения НАД(Ф)Н/НАД(Ф) + и стимулируемая ионами аммония продукция Н2О2. При этом выход перекиси водорода был нечувствителен к дикумаролу (ингибитору НАДН-хинон оксидоредуктазы) и НАДН-OH (ингибитору комплекса I), что указывает на матриксную локализацию H2O2-генерирующего сайта. Исследуемый белок обладал НАДН:липоамид оксидоредуктазной активностью и был идентифицирован как дигидролипоамиддегидрогеназа [11]. Данный белок является важным компонентом (так называемым Е3 компонентом) двух ФАД-cодержащих митохондриальных ферментов: а-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса и пируватдегидрогеназного комплекса. Согласно данным, полученным на очищенных комплексах и на изолированных митохондриях [24], компонент Е3 отвечает за продукцию супероксида и перекиси водорода. Было показано, что пермеабилизованные митохондрии сердца крыс, окисляющие НАДН, продуцируют около 50% перекиси водорода за счет работы комплекса I, а остальные 50% приходятся на долю дигидролипоамиддегидрогеназы [13].
Роль кальция в генерации АФК
В процессе пермеабилизации митохондриальных мембран происходит выход из межмембранного пространства и матрикса примерно 100 белков, в том числе таких важных элементов антиоксидантной защиты, как глутатион и цитохром с [28].
Цитохром с является положительно заряженным белком, который связан с кардиолипином на внешней стороне внутренней мембраны митохондрий, а также с дыхательными комплексами III и IV. Было показано, что выход цитохрома с является двухступенчатым процессом, включающим отсоединение белка от внутримембранных связывающих сайтов и последующую его транслокацию через внешнюю мембрану [29]. Ca 2+ может усиливать диссоциацию цитохрома с от внутренней мембраны, так как является его конкурентом за связывание с отрицательно заряженным кардиолипином. Это способствует выходу цитохрома с в цитозоль при индукции mPTP. Более того, АФК, образуемые при пермеабилизации мембран, могут вызывать окисление кардиолипина, приводящее к изменению его физических свойств, что также может усиливать выход цитохрома с из митохондрий и способствовать еще большей генерации АФК. Пониженный уровень белка замедляет транспорт электронов от комплекса III к комплексу IV и, таким образом, увеличивает продукцию АФК в Q-цикле. Кроме того, цитохром с сам по себе является эффективным антиоксидантом, способным эффективно восстанавливаться супероксид анионом [30]. Таким образом, повышение концентрации кальция в митохондриях оказывает стимулирующее влияние на АФК-продуцирующие ферменты матрикса и приводит к падению антиоксидантной защиты, тем самым увеличивая общий уровень АФК, генерируемый митохондриями.
Заключение
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 17-75-10122.