БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 5, с. 612 - 630
УДК 577.352.3
МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА: ДЕСЯТЬ ЛЕТ СПУСТЯ
Обзор
© 2015 А.Ю. Андреев1*, Ю.Е. Кушнарева2, А.Н. Мерфи1, А.А. Старков3*
1 University of California, San Diego, 9500 Oilman Drive, MC 0601, La Jolla, CA 92093-0601; E-mail: alex_andreyev@mitoexperts.com
2 La Jolla Institute for Allergy and Immunology, 9420Athena Circle,
La Jolla, CA 92037
3 Cornell University, Weill Medical College, Brain and Mind Research Institute, 407East 61st Street, 5th floor, New York, NY 10065; E-mail: ans2024@med.cornell.edu
Поступила в редакцию 01.02.15 После доработки 08.02.15
Роль митохондрий в окислительном стрессе является общепризнанной, но многие вопросы все еще остаются без ответа. Цель данного обзора — описание прогресса в понимании митохондриального метаболизма активных форм кислорода (АФК) за последние 10 лет. Обсуждаются наиболее важные публикации, описывающие новые (или заново изученные) источники АФК в митохондриях, такие как сукцинатдегидрогеназа, дигидрооротатдегидрогеназа, белок p66shc, и недавно открытые свойства митохондриальной антиоксидант-ной системы. Обсуждаются основные противоречия, спорные и ложные концепции, осложняющие исследования митохондриального метаболизма АФК.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: митохондрии, активные формы кислорода, p66shc, сукцинатдегидрогеназа, дигидрооротатдегидрогеназа, детоксификация активных форм кислорода, окислительный стресс.
Использование окислительного фосфорили-рования для получения энергии из питательных веществ является очень эффективным, но и потенциально опасным биохимическим механизмом. Миллиарды лет назад наши далекие предки позволили проникнуть в свои клетки захватчикам — существам с двойной мембраной, собственным геномом, аппаратом для трансляции и транскрипции, которые теперь известны
Принятые сокращения: АФК — активные формы кислорода, SOD — супероксиддисмутаза 1, MnSOD — мар-ганец-содержащая супероксиддисмутаза 2, ДЛД — дигид-ролипоамиддегидрогеназа, ДГО — дигидрооротат, ДГО ДГ — дигидрооротатдегидрогеназа, ХрП — пероксидаза хрена, ДХФ — дихлорофлуоресцин, p66shc — белок p66shc, НКЭ — насыщенный каломельный электрод, ЭР — эндоплазмати-ческий ретикулум, ДХФ-ДА — дихлорофлуоресцина диа-цетат, TRx2 — тиоредоксинредуктаза 2, GPx — глутатион-пероксидаза, Prx — пероксиредоксин, ГКФИ — генетически кодируемые флуоресцентные индикаторы, GSH — глу-татион, GSSG — дисульфид глутатиона (продукт окисления глутатиона); ТТФА — теноилтрифтороацетон (TTFA, thenoyltrifluoroacetone, 4,4,4-trifluoro-1-(2-thienyl)-1,3-butanedione).
* Адресат для корреспонденции.
нам как митохондрии (см. недавний обзор теории эндосимбиоза [1]). Кто они — враги или друзья? Мы до сих пор ищем ответ на этот вопрос. Иногда они — убийцы, хотя и приносящие благо, с хирургической точностью уничтожая клетки в процессе апоптоза [2—5]. Они подарили клеткам способность синтезировать 36 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы (против двух молекул АТФ, производимых в гликолизе), но явились с арсеналом весьма опасных инструментов. Для достижения столь высокой эффективности митохондрии заставляют питательные вещества высвобождать энергию, условно говоря, по шагам — производя молекулу АТФ на каждом шаге. Отсюда наличие длинной цепи редокс-переносчиков для поэтапного транспорта восстанавливающих эквивалентов (т.е. электронов) с питательных веществ на кислород. Тот факт, что редокс-переносчики принимают на себя электрон для его последующей передачи, превращает их, по сути, в свободные радикалы, высокореакционные, как все свободные радикалы. Железосерные кластеры, семихинонные формы кофермента р и флавина — для всех этих
компонентов вопрос состоит не в том, «а что, если», а скорее «как быстро» они примут участие в побочных реакциях с образованием повреждающих клетки продуктов (т.е. как быстро они реагируют с молекулярным кислородом, образуя радикал супероксида). Таким образом, генерация активных форм кислорода (АФК) — это неизбежное зло, имманентное свойство окислительного фосфорилирования — цена, которую мы платим за энергетическую эффективность.
В то же время митохондрии доблестно противостоят этому злу, выстроив лучшую защиту, разработанную эволюцией против наиболее смертоносного оружия живой природы. Являясь источником АФК, они одновременно имеют мощную антиоксидантную систему, обезвреживающую как собственные, так и внешние АФК. Несмотря на достигнутые успехи в понимании этой системы, многие вопросы остаются нерешенными.
В данном обзоре мы попытались осветить прогресс, достигнутый в понимании митохонд-риального метаболизма АФК за последние 10 лет. Не претендуя на всеохватность, мы обсуждаем публикации, описывающие новые источники АФК в митохондриях, а также недавно открытые свойства митохондриальной антиоксидант-ной системы. Читатель, ищущий сведения о более ранних исследованиях в данной области, может обратиться к нашему предыдущему обзору [6] и обзорам других исследователей [7—14], которые охватывают практически все аспекты метаболизма АФК в митохондриях, а также новые методики его изучения и подходы к его модификации. Нужно понимать, что многие проблемы в данной области не разрешены адекватно из-за отсутствия необходимых технологий или из-за неточностей в интерпретации экспериментальных данных. Мы попытались критически осмыслить некоторые из противоречий, диспутов и концепций, существующих в настоящее время в данной области исследований.
ПРОДУКЦИЯ АФК В МИТОХОНДРИЯХ
Химический подход к метаболизму АФК в митохондриях. Реакции, генерирующие и метабо-лизирующие АФК [6, 15], взаимно переплетенные с основными процессами катаболизма, формируют сложную систему процессов, которая характеризуется многообразием и непредсказуемостью ответов на возмущения. Однако с точки зрения химии эти реакции не так уж и сложны. Базовый инициирующий шаг в продукции АФК — одноэлектронное восстановле-
ние кислорода — вероятнее всего является простой бимолекулярной элементарной реакцией и подчиняется закону действующих масс, согласно которому скорость химической реакции пропорциональна концентрациям взаимодействующих веществ (см., однако, обсуждение возможных центров связывания кислорода ниже). По-видимому, данная реакция является лимитирующей стадией всего каскада реакций, т.к. несмотря на высокие скорости образования, ни один из последующих интермедиатов не накапливается в сколь-нибудь значительных количествах. Таким образом, кинетика первой реакции определяет все последующие процессы.
Химический подход позволяет решить некоторые из интенсивно обсуждаемых вопросов, например, о количественном соотношении между скоростями дыхания и продукции АФК. Ответ на этот вопрос: скорости этих двух процессов достаточно независимы друг от друга. В соответствии с законом действующих масс скорость реакции определяется концентрацией реагирующего вещества, а не скоростью другой реакции. При генерации АФК, когда одним из реагентов является восстановленная форма АФК-генерирующего центра, а другим — кислород, скорость реакции пропорциональна концентрации этой восстановленной формы (допуская, что концентрация кислорода постоянна). Повышение уровня восстановленности центра может являться следствием воздействия ряда факторов, которые или стимулируют дыхание (как, например, поступление дыхательного субстрата), или угнетают его (переключение митохондрий из активного состояния в состояние покоя или ингибирование транспорта электронов от генерирующего центра к последующим переносчикам). И наоборот, пониженный уровень восстановленности центра может быть вызван факторами как усиливающими дыхание (например, разобщением), так и подавляющими его (например, ингибированием поступления субстрата). Соответственно, продукция АФК и дыхание могут изменяться в одном и том же или противоположных направлениях в зависимости от редокс-состояния генерирующего центра.
Существуют ли места связывания кислорода в центрах продукции АФК? Этот кажущийся теоретическим вопрос может иметь важное терапевтическое значение. Существование высокоаффинных сайтов связывания кислорода в АФК-генерирующих центрах позволило бы картировать эти центры и разработать фармакологические препараты для избирательного инги-бирования продукции АФК без нарушения нормального функционирования белков. Боверис и Чанс пришли к заключению, что в широком диа-
пазоне условий скорость генерации АФК митохондриями сердца и печени не достигает насыщения даже при гипербарических уровнях кислорода [16], что исключает участие специальных мест связывания кислорода в этих реакциях (однако возможное связывание кислорода с очень низким сродством (Km ~ 0,7—0,8 атм O2, эквивалент ~ 900 мкМ) было замечено при генерации АФК, индуцированной антимицином А) [16]. Данное заключение было недавно подтверждено для генерации АФК, опосредованной комплексом I и дигидролипоамиддегидрогеназой (ДЛД) [17—19]. С другой стороны, в работах Пола Брукса с соавт. сообщается, что практически любая известная модель продукции АФК может быть описана кинетикой типа Михаэлиса-Мен-тон со значениями Km в микромолярном диапазоне (0,2-5 мкМ) [20, 21]. К сожалению, противоречия между этими данными и результатами работы Бовериса и Чанса не были объяснены, так что мы можем только констатировать, что данный вопрос остается нерешенным.
Является ли супероксид первичной формой АФК? Проблема наличия мест связывания кислорода непосредственно связана с другим важным механистическим вопросом - что является инициирующим шагом в продукции АФК? Таким процессом в основном считается одноэлект-ронное восстановление кислорода до супер-оксида. Однако для описания некоторых АФК-ге-нерирующих процессов (например, с участием моноаминооксидазы и дигидрооротатдегидро-геназы — ДГО ДГ) была предложена модель непосредственного образования перекиси водорода (двухэлектронная реакция). На самом деле, трудно представить возможность переноса двух электронов с одноэлектронного носителя (же-лезосерного кластера или семихинона) при случайном столкновении. Т.е. кислород должен оставаться связанным в центре генерации АФК в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.