CC BY
313
МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ И ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
УДК 612.823
Е. И. БОНЬ, Н. Е. МАКСИМОВИЧ
РОЛЬ МИТОХОНДРИЙ В ЭНЕРГЕТИКЕ КЛЕТКИ И ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ЕЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАРКЕРЫ
Гродненский государственный медицинский университет, Гродно, Республика Беларусь
L. I. BON, N. E. MAKSIMOVICH
ROLE OF MITOCHONDRIA IN CELLS ENERGETIC AND CHARACTERIZING ITS MOLECULAR MARKERS
Grodno State Medical University, Grodno, Republic Belarus
РЕЗЮМЕ
Цель - анализ и обобщение данных литературы о роли митохондрий в энергетике клетки и молекулярных маркерах митохондрий.
Методика. Основой данного исследования стал обзор литературы по данной теме.
Результаты. Митохондрии осуществляют большую часть клеточных процессов окисления и производят почти весь АТФ животной клетки. В результате «откачивания» протонов из матрикса дыхательной цепью происходит создание трансмембранного электрохимического протонного градиента. Энергия трансмембранного градиента используется для синтеза АТФ и для активного транспорта необходимых субстратов через внутреннюю митохондриальную мембрану. Сочетание этих реакций обеспечивает эффективный обмен ЛТФ-ЛДФ между митохондрией и цитозолем, что позволяет поддерживать в клетке высокий уровень энергии. Использование молекулярных маркеров позволяет детально изучить энергетическую активность митохондрий при различных экспериментальных воздействиях.
Бонь Елизавета Игоревна - к. б. н., старший преподаватель кафедры патологической физиологии им. Д. А. Маслакова УО «Гродненский государственный медицинский университет», Беларусь; e-mail: asphodela@list.ru
Максимович Наталия Евгеньевна - д. м. н., профессор, заведующая кафедрой патологической физиологии им. Д. А. Маслакова УО «Гродненский государственный университет», Беларусь; e-mail: mne@grsmu.by
Заключение. В связи с тем что клеточный энергодефицит характерен для многих заболеваний, изучение энергетической функции митохондрий при различной патологии в клинике и эксперименте, а также поиск новых диагностических маркеров является важным.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: МИТОХОНДРИИ, ЭНЕРГЕТИКА КЛЕТКИ, МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАРКЕРЫ.
ABSTRACT
Objective. Analysis and synthesis of literature data on the role of mitochondria in cell energy and molecular markers of mitochondria.
Methods. The basis of this study was a review of literature on this topic.
Results. Mitochondria carry out most of the cellular oxidation processes and produce almost all the ATP of an animal cell. As a result of «pumping out» protons from the matrix by the respiratory chain, a transmembrane electrochemical proton gradient is created. The energy of the transmembrane gradient is used for the synthesis of ATP and for the active transport of the necessary substrates through the internal mitochondrial membrane. The combination of these reactions provides efficient exchange of ATP-ADP between the mitochondria and cytosol, which allows maintaining a high level of energy in the cell. The use of molecular markers allows a detailed study of the energetic activity of mitochondria under various experimental influences.
Conclusion. Due to the fact that cellular energy deficiency is characteristic of many diseases, the study of the energy function of mitochondria in various pathologies in the clinic and experiment, as well as the search for new diagnostic markers is important.
KEY WORDS: MITOCHONDRIA, CELL ENERGY, MOLECULAR MARKERS
Митохондрии - основная «силовая станция» клетки, в которой продуцируется энергия, используемая в процессах синтеза, секреции, мышечного сокращения, роста и др. Наиболее характерной особенностью митохондрий является содержание в них большого числа ферментов, участвующих в аэробном «дыхании». Большая часть энергии, которая освобождается при переносе электронов, аккумулируется в макроэргических фосфатных связях АТФ [3, 7].
Важная роль митохондрий в жизнедеятельности клетки, особенно при их патологии, обусловливает необходимость изучения их функциональной активности в эксперименте.
Цель данного обзора - обобщение и систематизация данных литературы о роли митохондрий в энергетике клетки и молекулярных иммуногисто-химических маркерах, ее характеризующих.
Митохондрии - очень подвижные и пластичные органеллы, которые постоянно изменяют свою форму и сливаются друг с другом, а затем вновь разделяются. Перемещение митохондрий в цитоплазме связано с микротрубочками, что определяет их ориентацию и распределение в клетке. В некоторых клетках митохондрии образуют длинные подвижные филаменты или цепочки, а в других - фиксированы вблизи мест потребления АТФ, например, в сердечной мышце они располагаются между мио-фибриллами, а в сперматозоидах плотно обвивают жгутик [3, 13].
Каждая митохондрия содержит высокоспециализированные мембраны, играющие ключевую роль в ее активности. Мембраны образуют два изолированных митохондриальных компартмента: внутренний матрикс и узкое межмембранное пространство. Каждый отдел содержит уникальный набор белков [4, 5, 6].
В состав наружной мембраны входит белок по-рин, который образует широкие гидрофильные
каналы в липидном бислое. В результате эта мембрана напоминает сито, проницаемое для всех молекул массой менее 10 000 дальтон, в том числе низкомолекулярных. Эти молекулы могут проникать в межмембранное пространство, но большая их часть не способна проходить через непроницаемую внутреннюю мембрану.
Основная функциональная часть митохондрии -матрикс и окружающая его внутренняя мембрана.
Внутренняя мембрана содержит большое количество «двойного» фосфолипида кардиолипина (30%), что обеспечивает непроницаемость мембраны для ионов и отличается необычно высоким содержанием белка (около 70% от веса). Многие из белков являются компонентами электронтранспортной цепи, поддерживающей протонный градиент на мембране. Другой большой белковый комплекс - фермент АТФ-синтаза, катализирующий синтез АТФ, через который протоны возвращаются в матрикс по электрохимическому градиенту [7, 8, 9].
Внутренняя мембрана образует в матриксе сложную систему складок - крист, которые значительно увеличивают ее площадь. В митохондриях печени внутренняя мембрана составляет третью часть всех мембран клетки, в митохондриях сердечной мышцы количество крист в три раза больше, чем в митохондриях печени, что связано с высокой потребностью клеток сердца в АТФ. Кристам митохондрий в различных клетках свойственны морфологические особенности и различный состав ферментов.
Во внутреннюю митохондриальную мембрану встроены ферменты дыхательной цепи, необходимые для процесса окислительного фосфорилирования, образующего основную часть АТФ, и транспортные белки, обусловливающие ее избирательную проницаемость. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для Н+, ОН-, всех анионов и катионов. Транспорт необходимых веществ и неорганических ионов происходит при участии белков-переносчиков [12, 17, 18, 20].
Матрикс митохондрий имеет более вязкую консистенцию по сравнению с цитоплазмой клетки. В нем находятся ферменты, митохондриальная ДНК, рибосомы, органические соединения, ионы, соли кальция и магния. Ферменты, расположенные в матриксе, участвуют в цикле Кребса, окислительном
фосфорилировании, окислении пирувата и бета-окислении жирных кислот [20].
Субстратом для окислительного метаболизма в митохондриях служат главным образом жирные кислоты и пируват, образуемый в результате гликолиза в цитозоле. Эти вещества избирательно транспортируются из цитозоля в митохондриаль-ный матрикс, где распадаются до двухуглеродных групп, присоединенных к ацетилкоферменту А (аце-тил-СоА). В составе молекулы ацетил-СоА каждая ацетильная группа поступает в цикл Кребса для дальнейшего расщепления, где при окислении двухуглеродных атомов ацетил-СоА происходит извлечение высокоэнергетических электронов. Электроны передаются в дыхательную цепь внутренней мито-хондриальной мембраны, где вследствие переноса по дыхательной цепи происходит извлечение энергии. Окисление ацетильной группы в цикле Кребса ведет к образованию молекул восстановленного ни-котинамидадениндинуклеотида (МАБН) и восстановленного флавинадениндинуклеотида (БАБН2).
Вначале почти вся энергия, получаемая на ранних этапах окисления питательных веществ, аккумулируется в форме высокоэнергетических электронов МАБН и БАБН2. МАБН, компонент МАБН-дегидро-геназного комплекса, образовавшийся в цитозоле при гликолизе, передает свои электроны в дыхательную цепь. Так как МАБН не способен проходить через внутреннюю мембрану, перенос электронов от него осуществляется непрямым путем при помощи одной из челночных систем, транспортирующих в митохондрию карнитин, который после окисления возвращается в цитозоль с последующим его восстановлением с помощью МАБН. Другой субстрат, БАБН2 (компонент сукцинатдегидрогеназного комплекса) передает свои электроны в дыхательную цепь непосредственно [2, 6, 19].
Электроны этих субстратов восстанавливают молекулярный кислород (акцептор электронов) в дыхательной цепи с образованием метаболической воды (рис. 1).
Так как большое количество высвобождаемой энергии используется ферментами внутренней мембраны для образования АТФ из АДФ, эти реакции называют окислительным фосфорилированием. В данном процессе внутренняя митохондриальная
мембрана играет роль энергопреобразующего устройства, которое превращает часть энергии окисления МАБН и БАБН2 в энергию фосфатных связей АТФ. На внутренней мембране создается электрохимический протонный градиент [4].
Митохондриальная дыхательная цепь внутренней мембраны способна перемещать протоны Н+. При прохождении электронов по дыхательной цепи происходит их «откачивание» из матрикса. АТФ-синтаза может использовать энергию гидролиза АТФ для переноса Н+ через мембрану, а при достаточно большом протонном градиенте протоны начинают «течь» через фермент в обратном направлении, что сопровождается синтезом АТФ.
Все белки-переносчики электронов группируются в 4 больших комплекса дыхательных ферментов, каждый из которых содержит трансмембранные белки, прочно закрепляющие комплекс во внутренней мембране митохондрии (рис. 2).
Комплекс I (МАБН-убихиноноксидоредуктаза; МАБН-дегидрогеназа), комплекс II (сукцинатдеги-дрогеназа; сукцинат-убихинон оксидоредуктаза), комплекс III (комплекс цитохромов Ьс1; убихи-нон-цитохром с оксидоредуктаза), комплекс IV (ци-тохром с оксидаза; цитохромоксидаза; цитохром с-02 оксидоредуктаза). Функция комплекса IV заключается в восстановлении О2 до Н2О путем передачи четырех электронов от восстановленного цитохрома с при использовании 2 протонов из матрикса [19].
Каждый последующий комплекс обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий. Электроны последовательно переходят от одного комплекса на другой, пока не восстановят кислород, являющийся их акцептором.
Энергия, высвобождаемая в процессе переноса электронов по дыхательной цепи, аккумулируется в форме электрохимического протонного градиента на внутренней мембране митохондрий.
Синтез АТФ - не единственный процесс, идущий за счет энергии электрохимического градиента. В матриксе, где находятся ферменты, участвующие в цикле Кребса и других метаболических реакциях, необходимо поддерживать высокие концентрации различных субстратов. Поэтому через внутреннюю мембрану должны транспортироваться различные несущие заряд субстраты. Их активно перекачивают
против электрохимических градиентов встроенные в мембрану белки-переносчики. Энергия электрохимического протонного градиента используется также для переноса в матрикс ионов Са2+, которые играют важную роль в регуляции активности некоторых митохондриальных ферментов. Большое значение имеет поглощение митохондриями этих ионов для удаления их из цитозоля, где высокая концентрация Са2+ является опасной [3, 19].
Таким образом, митохондрии осуществляют большую часть клеточных процессов окисления и производят почти весь АТФ животной клетки. В результате «откачивания» протонов из матрикса дыхательной цепью происходит создание трансмембранного электрохимического протонного градиента, слагающегося из мембранного потенциала и разности рН. Энергия трансмембранного градиента используется для синтеза АТФ и для активного транспорта необходимых субстратов через внутреннюю митохондриальную мембрану. Сочетание этих реакций обеспечивает эффективный обмен ЛТФ-ЛДФ между митохондрией и цитозолем, что позволяет поддерживать в клетке высокий уровень энергии [5].
Существует ряд молекулярных маркеров, использование которых позволяет детально изучить энергетическую активность митохондрий при различных экспериментальных воздействиях.
Большинство их локализовано на внутренней мембране митохондрий, но некоторые расположены в матриксе.
Маркеры, локализующиеся на внутренней мембране митохондрий.
ATPase. Принадлежит семейству альфа/бета АТФаз.
Фермент состоит из двух структурных доменов (F1 - внемембранный катализатор и F0 - протонный канал мембраны), соединенных центральным стержнем. Центральный стержень митохондриаль-ной АТФ-синтазы состоит из субъединиц у, б и е, и вместе с олигомером мембранной субъединицы представляет собой роторный домен фермента. Предполагается, что функция е-субъединицы состоит в сборке остальных доменов фермента. Мутация или дефицит данной субъединицы снижает активность АТФ-синтазы. Изучение генов, необходимых для
дифференцировки стволовых клеток, выявило важную роль митохондриальной АТФ-синтазы в этом процессе. АТФ-синтаза способствовует созреванию крист митохондрий во время дифференцировки путем димеризации и специфической регуляции АТФ-синтазного комплекса (рис. 3).
Митохондриальная мембранная АТФ-синтаза продуцирует АТФ из АДФ с помощью трансмембранного градиента протонов, который генерируется электрон-транспортными комплексами дыхательной цепи. АТФазы F-типа состоят из двух структурных доменов: F (1) содержит каталитическое ядро, а F (0) - мембранный протонный канал, соединенный центральным и периферическим стержнем. Синтез АТФ в каталитическом домене F (1) осуществляется посредством протонной транслокации при взаимном вращении центральных субъединиц. Вращение центрального стержня молекулы приводит к гидролизу АТФ в трех отдельных каталитических центрах на бета-субъединице. Субъединица альфа не обладает каталитической активностью.
Существует две разновидности ATPase - А и В [8, 14, 15, 21].
SDHA (Succinate dehydrogenase complex, subunit A). Принадлежит к семейству оксидоредуктаз.
Является субъединицей фермента сукцинатдеги-дрогеназы, которая участвует в комплексе митохондриальной транспортной цепи электронов и отвечает за перенос электронов от сукцината на убихинон (коэнзим Q) [1].
Рекомбинантный протеин COX7A2L (Cytochrome c oxidase subunit 7A-related protein). Принадлежит к семейству цитохром С оксидазы VIIa. Предполагаемая функция - регуляция активности цитохром С оксидазы [18].
COX IV (Cytochrome C oxidase subunit 4) - белок, который является одной из полипептидных цепей цитохромоксидазы, участвует в переносе электронов в митохондриях. Принадлежит к семейству оксидазы IV цитохрома С. Характеризует эффективность цепи тканевого дыхания [16].
MTCO1 (Mitochondrially Encoded Cytochrome C Oxidase I). Принадлежит к семейству гем-медных дыхательных оксидаз.
Цитохромоксид-оксидаза является компонентом дыхательной цепи, которая катализирует
восстановление кислорода. Субъединицы 1-3 образуют функциональное ядро ферментного комплекса. Cytochrome C Oxidase I является каталитической субъединицей фермента окислительного фосфо-рилирования [11].
Маркеры митохондриального матрикса.
HADHA (hydroxyacyl-CoA dehydrogenase tri-functional multienzyme complex subunit alpha).
ЛИТЕРАТУРА:
1. Baertling, F. NDUFA9 point mutations cause a variable mitochondrial complex I assembly defect / F. Baertling // Clinical Genet. - 2018. - V. 93. - P. 111-118.
2. Boumans, H. The respiratory chain in yeast behaves as a single functional unit / H. Boumans, L. A. Griv-ell, J. A. Berden // J. Biol. Chem. - 1998. - V. 273. -P. 4872-4877.
3. Boyer, P. D. ATP synthase - past and future // Biochim. Biophys. Acta. - 1998. - Vol. 1365. - P. 3-9.
4. Brand, M. D., Murphy M. P. Control of electron flux through the respiratory chain in mitochondria and cells / M. D. Brand, M. P. Murphy // Biological Review. - 1987. - К 62. - P. 141-193.
5. Capaldi, R. A. Structural and functional features of the interaction of cytochrome с with complex III and cytochrome с oxidase / R. A. Capaldi, К Dar-ley-Usmar, S. Fuller, F. Millet//FEBS Letters. -1982. -К 138. - P. 1-7.
6. Casey, R. P. Membrane reconstruction of the energy-conserving enzymes of oxidative phosphorylation / R. P. Casey // Biochemistry Acta. - 1984. - К 768. -P. 319-347.
7. DePierre J. W., Ernster L. Enzyme topology of intracellular membranes / J. W. DePierre, L. Ernster// Review Biochemistry. - 1988. - К 46. - P. 201-261.
8. Erazo-Oliveras, A. Protein delivery into live cells by incubation with an endosomolytic agent /А. Erazo-Oliveras// Nat Methods. - 2014. - V 56. - P. 112-118.
9. Hackenbrock, C. R. Lateral diffusion and electron transfer in the mitochondrial inner membrane / C. R. Hackenbrock // Trends Biochemistry. -1981. - V 15. - P. 151-154.
10. Hoffmann, C. The effect of differentiation and TGFß on mitochondrial respiration and mitochondrial enzyme abundance in cultured primary human skeletal muscle cells / С Hoffmann // Science Report. - 2018. - V. 8. - P. 737-740.
Относится к семейству 3-гидроксиацил-СоА-де-гидрогеназ. Является субъединицей фермента, участвующего в бета-окислении жирных кислот [10].
В связи с тем что клеточный энергодефицит характерен для многих заболеваний, изучение энергетической функции митохондрий при различной патологии в клинике и эксперименте, а также поиск новых диагностических маркеров является важным.
11. Holvoet, P. Low Cytochrome Oxidase 1 Links Mitochondrial Dysfunction to Atherosclerosis in Mice and Pigs / P. Holvoet // PLoS One. - 2017. - V. 12. - P. 307-312.
12. Klinyerberg, M. Principles of carrier catalysis elucidated by comparing two similar membrane translocators from mitochondria, the ADP/ATP carrier and the uncoupling protein /M. Klinyerberg//New York Academic Science. -1985. - V. 456. - P. 279-288.
13. Leonard, K. Three-dimensional structure of NADH: ubiquinone reductase (complexI) from Neurospora mitochondria determined by electron microscopy of membrane crystals / K. Leonard, H. Haiker, H. Weiss //Molecular Biology. - 1987. - V. 194. - P. 277-286.
14. Pecina, P. Role of the mitochondrial ATP synthase central stalk subunits y and S in the activity and assembly of the mammalian enzyme / P. Pecina, H. Nüskova, V. Karbanova, V. Kaplanova, T. Mracek, J. Houstek // Acta Bioenergetics. - 2018. - V. 1859 (5). - P. 374-381.
15. Pirson, M. The curious case of peroxiredoxin-5: what its absence in aves can tell us and how it can be used / M. Pirson // BMC Evolution Biology. - 2018. - V. 18. -P. 18-22.
16. Powell, K. A. Mitochondrial localization and ocular expression of mutant Opa3 in a mouse model of 3-meth-ylglutaconicaciduria type III/Powell K. A., Davies J. R., Taylor E., Wride M. A., Votruba M. // Invest Ophthalmology Vis Science. - 2011. - V. 52 (7). - P. 4369-4380.
17. Prince, R. C. The proton pump of cytochrome oxidase / R. C. Prince // Trends Biochemistry Science. - 1988. -V. 13. - P. 159-160.
18. Serricchio, M. Cardiolipin synthesizing enzymes form a complex that interacts with cardiolipin-dependent membrane organizing proteins / Serricchio M., Vissa A., Kim P. K., Yip C. M., McQuibban G. A. // Acta Molecular Cell Biology Lipids. - 2018. - V. 4. - P. 447-457.
19. Slater, Е. С. The Q Cycle, an ubiquitous mechanism of electron transfer/ Е. С. Slater// Trends Biochemistry Science. - 1983. - К 8. - P. 239-242.
20. Srere, P. A. The structure of the mitochondrial inner membrane-matrix compartment/Р. А. Srere // Trends Biochemistry Science. - 1982. - V 7 - P. 375-378.
УДК 611.013;591.4;591.3+ 616.21/22;616.28
21. Teixeira, F. K. ATP synthase promotes germ cell differentiation independent of oxidative phosphorylation / Teixeira F. K., Sanchez C. G., Hurd T. R., Seifert J. R., Czech B., Preall J. B., Hannon G. J., Lehmann R. // Natural Cell Biology. - 2015. - V. 17 (5). - P. 689-696.
В. А. ДОЛГОВ, М. И. АНИКИН, Н. Н. ШЕВЛЮК, О. О. ЖЕРЕБЯТЬЕВА, С. С. ШКУНОВА
ХАРАКТЕРИСТИКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ МИКРОБНОГО БИОЦЕНОЗА НОСА У ЗДОРОВЫХ ЛИЦ, БОЛЬНЫХ ОСТРЫМ РИНОФАРИНГИТОМ И ПРИ РАЗВИТИИ ОСЛОЖНЕНИЯ ЗАБОЛЕВАНИЯ -ГНОЙНОГО СРЕДНЕГО ОТИТА
ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный медицинский университет» Минздрава России
V. A. DOLGOV, M. I. ANIKIN, N. N. SHEVLYUK, O. O. ZHEREBYATIEVA, S. S. SHKUNYOVA
CHARACTERISTICS OF INDICATORS OF MICROBIAL BIOCENOSIS OF THE NOSE IN HEALTHY PERSONS, PATIENTS WITH ACUTE RHINOFARINGITIS AND THE DEVELOPMENT OF COMPLICATION OF THE DISEASE -PURULENT AVERAGE OTITIS
FSBEI HE «Orenburg State Medical University» of the Ministry of Health of Russia
РЕЗЮМЕ
С использованием клинических, цитологических и микробиологических методов исследования дана характеристика показателей микробного биоценоза полости носа у здоровых лиц, при остром ринофа-рингите и при развитии осложнения заболевания -гнойном среднем отите. Результаты исследования показали, что в результате развития воспалительного процесса в носоглотке, на слизистой оболочке носа среди микроорганизмов наблюдались явления дисбиоза. При клиническом выздоровлении показатели микробного биоценоза приходили к исходному
Долгов Вячеслав Александрович - д. м. н., профессор кафедры оториноларингологии; e-mail: Vycheslav-dolgov@bk.ru
Аникин Максим Игоревич - к. м. н., доцент, заведующий кафедрой оториноларингологии; e-mail: m.anikin@mail.ru
Шевлюк Николай Николаевич - д. б. н., профессор, профессор кафедры гистологии, цитологии и эмбриологии; e-mail: k_histology@orgma.ru
Жеребятьева Ольга Олеговна - к. м. н., доцент кафедры микробиологии; e-mail: Fenixmihail@yandex.ru
Шкунова Светлана Сергеевна - студентка 4-го курса лечебного факультета; тел. 8 (932) 849 47 89; e-mail: s.v.e.t.a96@mail.ru
уровню у здоровых. У некоторых пациентов течение острого ринофарингита осложнилось развитием гнойного среднего отита. Идентичность микроорганизмов, высеваемых со слизистой оболочки носа и обнаруженных в барабанной полости больных, указывает на наличиеринотубарной миграции микроорганизмов на фоне воспалительного процесса в носоглотке.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ОСТРЫЙ РИНОФАРИНГИТ, ПОЛОСТЬ НОСА, МИКРОБНЫЙ БИОЦЕНОЗ, СРЕДНИЙ ОТИТ.
SUMMARY
Using clinical, cytological and microbiological methods of research, a characteristic of indicators of the microbial biocenosis of the nasal cavity in healthy individuals, with acute pharyngitis and with the development of a complication of the disease, otitis media, is given. The results of the study showed that as a result of the development of the inflammatory process in the nasopharynx, on the nasal mucosa, dysbiosis was observed among microorganisms. In case of clinical recovery, indicators of microbial biocenosis came to the initial level in healthy
