научная статья по теме РОЛЬ ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ ПОРИНОВЫХ БЕЛКОВ В РЕГУЛЯЦИИ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВНЕШНЕЙ МЕМБРАНЫ МИТОХОНДРИЙ В НОРМЕ И ПРИ АЛКОГОЛЬНОЙ ИНТОКСИКАЦИИ Биология

Текст научной статьи на тему «РОЛЬ ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ ПОРИНОВЫХ БЕЛКОВ В РЕГУЛЯЦИИ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВНЕШНЕЙ МЕМБРАНЫ МИТОХОНДРИЙ В НОРМЕ И ПРИ АЛКОГОЛЬНОЙ ИНТОКСИКАЦИИ»

= ОБЗОРЫ

УДК 577.352.4

РОЛЬ ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ ПОРИНОВЫХ БЕЛКОВ В РЕГУЛЯЦИИ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВНЕШНЕЙ МЕМБРАНЫ МИТОХОНДРИЙ В НОРМЕ И ПРИ АЛКОГОЛЬНОЙ ИНТОКСИКАЦИИ

© 2011 г. Т. С. Азарашвили*, И. В. Одинокова, О. В. Крестинина, Ю. Л. Бабурина, Д. Е. Грачев,

В. В. Теплова, Э. Л. Холмухамедов

Учреждение Российской академии наук Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, 142290Пущино, Московская обл.; факс: (4967)330553; электронная почта: tazarash@rambler.ru

Поступила в редакцию 26.07.2010 г.

В настоящем обзоре рассмотрены факторы, регулирующие проницаемость внешней митохондри-альной мембраны и состояние ее каналов, сформированных пориновыми белками (voltage-dependent anion channels, VDAC). Анализ опубликованных данных показал, что проницаемость внешней мембраны может регулироваться посредством механизма эндогенного фосфорилирования молекул пориновых белков, образующих каналы во внешней мембране митохондрий. Фосфорилирование пориновых белков может осуществляться различными протеинкиназами, такими как протеинки-назы А и С, тирозиновая протеинкиназа, гексокиназа, киназа-3-гликогенсинтазы (GSK-3ß), кина-зы Akt и р38. Среди перечисленных протеинкиназ, индуцируемые алкоголем стрессовые киназы (GSK-3ß, Akt и р38), идентифицированные в митохондриях, могут вовлекаться в фосфорилирова-ние белков пориновых каналов и, как следствие этого, в регуляцию проницаемости внешней мембраны митохондрий.

Ключевые слова: проницаемость внешней мембраны митохондрий, пориновые каналы, фосфорилирование белков, протеинкиназы, этанол.

Нормальное функционирование клеток обеспечивается скоординированным обменом метаболитами между клетками и окружающей средой, а также между внутриклеточными компартментами. В регуляцию метаболизма клеток существенный вклад вносят митохондрии, которые не только обеспечивают энергетические потребности клетки, но и участвуют в ряде таких жизненно важных процессов, как Са2+-сигнализация, клеточный цикл, дифференци-ровка и программируемая гибель клеток [1, 2]. В последнее время накапливается все больше данных о том, что гепатотоксичность этанола в первую очередь обусловлена потерей митохондриальных функций, приводящей к значительным нарушениям во всем клеточном метаболизме [3—9]. Поэтому исследование роли митохондрий в развитии алкогольной интоксикации печени и нарушении ее функций является одной из актуальных проблем современной биомедицины.

Митохондриальный метаболизм требует непрерывного обмена субстратами между цитоплазмой и матриксом митохондрий. Для нормального обмена эти метаболиты должны пересечь две ми-тохондриальные мембраны — внешнюю и внутреннюю. Транспорт через внутреннюю мембрану,

* Автор для переписки.

не проницаемую для водорастворимых метаболитов, осуществляется множеством специфических транспортных белков, он достаточно хорошо изучен [10—13]. Через внешнюю мембрану водорастворимые метаболиты проникают в межмембранное пространство через потенциал-зависимые анионные каналы (voltage-dependent anion channels, VDAC), образованные белками поринами [14—17]. Таким образом, пориновые каналы внешней мембраны митохондрий выполняют существенную роль в поддержании нормального обмена метаболитов между цитоплазмой и митохондриями. Любые нарушения этого обмена приводят к существенному сдвигу в метаболизме клеток, особенно в тех процессах, которые невозможны без участия митохондрий. На основании этого была выдвинута гипотеза, согласно которой глобальные нарушения митохондриальных функций, возникающие при алкогольном отравлении, обусловлены уменьшением потоков метаболитов через внешнюю мембрану митохондрий вследствие закрывания пориновых каналов и нарушения нормального обмена метаболитов [17, 18]. Хотя опубликованные данные и указывают на участие внешней мембраны митохондрий в регуляции физиологического состояния различных тканей (сердце, печень и легкие), однако непосредственная роль пориновых каналов в регуля-

ции проницаемости внешней мембраны митохондрий при токсическом воздействии этанола на клетки, а также при введении этанола животным до сих пор неизвестна.

Одним из известных механизмов регуляции каналов в биологических мембранах является фосфорили-рование белков, формирующих эти каналы. В связи с этим возможным путем регуляции проницаемости внешней мембраны может быть фосфорилирование молекул пориновых белков. Изучение регуляции функций митохондрий посредством фосфорилирова-ния/дефосфорилирования мембраносвязанных белков началось 10—15 лет назад и продолжается в настоящее время. Однако данные о фосфорилировании по-риновых белков немногочисленны и разрозненны, а роль фосфорилирования в модуляции проводимости внешней митохондриальной мембраны в ответ на алкогольную интоксикацию практически не изучена.

В представленном обзоре проанализирована роль фосфорилирования пориновых белков в регуляции проницаемости внешней мембраны митохондрий печени в норме и при алкогольной интоксикации. Поскольку этанол вызывает окислительный стресс, то рассмотрено потенциальное участие стрессовых киназ в переводе сигналов от окисления этанола к фосфорилированию белков пориновых каналов. Выяснение эндогенного механизма регуляции состояния пориновых каналов во внешней мембране митохондрий печени и их роли в алкогольной интоксикации позволит развить неизвестные ранее подходы не только к разработке новых лекарственных средств от последствий алкогольного отравления, но и для диагностики патологических состояний различных тканей, обусловленных закрыванием пориновых каналов.

ПРОНИЦАЕМОСТЬ ВНЕШНЕЙ МЕМБРАНЫ МИТОХОНДРИЙ И ВОЗМОЖНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ СОСТОЯНИЯ ПОРИНОВЫХ КАНАЛОВ

Внешняя мембрана митохондрий содержит различные каналы и мультибелковые комплексы, обеспечивающие транспорт белков и нуклеиновых кислот, проведение сигналов, но они находятся в основном в закрытом состоянии и не могут осуществлять постоянную связь с цитозолем. Пориновые же каналы обычно находятся в открытом состоянии. Изменение их проницаемости отражает регуляцию метаболизма митохондрий [19—21], поскольку водорастворимые метаболиты проникают из цитозоля клетки в межмембранное пространство митохондрий через пориновые каналы внешней мембраны [15, 16, 19, 20]. Размер пор VDAC (в открытом состоянии) достаточен для прохождения гидрофильных молекул субстратов окислительного фосфорили-рования (пируват, оксалоацетат, малат, сукцинат,

ATP, ADP, неорганический фосфат), субстратов цикла мочевины, реакций синтеза и обмена ме-тильных групп. Проницаемость внешней мембраны для многих водорастворимых соединений обеспечивается состоянием VDAC-каналов, пориновые белки которых составляют почти 40% от общего белка внешней мембраны митохондрий [14, 15]. Данные, накопленные к настоящему моменту, указывают, что пориновые каналы не действуют по принципу "открытой или закрытой двери". Существуют специальные условия, когда пориновые каналы могут быть полностью закрытыми или открытыми, но обычно проводимость каналов уменьшается менее значительно, на 50—60% [15, 19, 22, 23]. Открытое и закрытое состояния различаются по способности проводить ионы. Закрытое состояние характеризуется более слабой катионной селективностью, по сравнению со слабой анионной селективностью в открытом состоянии, и непроницаемо для отрицательно заряженных метаболитов, таких как АТР [24, 25].

На рис. 1 представлена схема такого перехода пориновых каналов из открытого состояния в закрытое [26]. Как видно на схеме, через открытый VDAC-канал способны проходить ATP, ADP и Са2+, а закрытое состояние канала непроницаемо для потоков ATP/ADP, в то время как небольшие ионы и Са2+ еще способны проникать через него. Ионы Са2+ проникают через VDAC как в открытом, так и в закрытом состоянии, поскольку анионная селективность канала небольшая. Присутствие или отсутствие Са2+ не влияет на проводимость VDAC, находящегося в открытом состоянии [27]. Для сравнения, в 1 M NaCl проводимость каналов равна 3.3 ± 0.3 нСм в присутствии 0.1 мМ EGTA и 3.4 ± 0.1 нСм в присутствии 1 мМ CaCl2. Кроме того, обнаружено, что вход, зависимый от потенциала, не зависит от присутствия Са2+. Неспособность отрицательно заряженной АТР проникать через закрытый порино-вый канал, несмотря на то что размер молекулы АТР (Rse ~ 0.7 нм) меньше размера закрытой поры (1.8 нм), ясно показывает, что электростатический профиль внутри канала играет более важную роль в процессе транспорта заряженных метаболитов через канал, чем отношение размеров поры/размер молекулы [27].

При переходе пориновых каналов в закрытое состояние проницаемость внешней мембраны митохондрий уменьшается, что приводит к блокированию обмена метаболитов. Обнаружено, что закрывание VDAC инициирует апоптоз и клеточную гибель [17, 28]. Ранее было показано, что обработка митохондрий этанолом вызывает закрывание VDAC-каналов, вследствие чего затрудняется движение АТР, ADP, неорганического фосфата и субстратов дыхания внутрь митохондрий, что сопровождается угнетением митохон-дриальных функций [17]. Однако роль порино-

Рис. 1. Схема функционирования порина. Приведена модифицированная схема из работы Ростовцевой и Безрукова, 2008 [26]. Когда пориновые каналы находятся в закрытом состоянии, то положительно заряженные домены, чувствительные к потенциалу, передвигаются из канала к мембранной поверхности. Этот процесс сопровождается уменьшением объема поры и изменением селективности канала. Закрытое состояние канала непроницаемо для потоков ATP/ADP, но небольшие по размеру ионы и Ca2+ способны еще проникать через него. Существует множество факторов, которые регулируют проводимость VDAC или индуцируют временный блок его открытого состояния. На схеме (вверху) обозначены соединения, индуцирующие закрывание канала (белки — тубулин, актин, гексокиназа (ГК), tBid; нуклеотиды — ATP, ADP, NADP; дициклогексилкарбодиимид (DCC) — ингибитор протонного канала, рутениевый красный — ингибитор кальциевого унипортера митохондрий, а также липиды — фосфатидилэтаноламин (ФЭ) и кардиолипин (КЛ) и G3139 — олигонуклеотид, содержащий фосфоротиоат. Кроме того, модификация молекул порина фосфорилированием приводит к закрыв

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.

Показать целиком