10313 (Перекисное окисление липидов в митохондриях)

Перекисное окисление липидов в митохондриях

Несмотря на доказанную универсальность механизма ПОЛ в биологических мембранах, обнаружены некоторые отличия этого процесса в разных клеточных органеллах.

По мнению Ю.А. Владимирова и А.И. Арчакова, они обусловлены в основном особенностями структурно-функциональной организации мембран этих органелл.

Митохондрии являются «энергетическими станциями», обеспечивающими клетки энергией, необходимой для их функционирования. Это обязательные органеллы эукариотических клеток. Они образованы двумя мембранами, разделенными межмембранным пространством.

В матриксе митохондрий содержатся ДНК, рибосомы, ферменты цикла Кребса, окисления, а также ферменты, обеспечивающие синтез белков и репликацию генетического материала митохондрий.

В этих органеллах осуществляется окислительное фосфорилирование, в результате чего в ходе окисления субстратов образуется АТР. Внешняя мембрана отделяет внутреннюю часть митохондрий от цитоплазмы.

Она гладкая, не имеет складок и перегибов, содержит ферменты и белки, образующие неспецифические поры, способные пропускать вещества с молекулярной массой не более 10 кДа.

Внутренняя мембрана имеет большое число складок – крист. Она проницаема только для воды и небольших нейтральных молекул, но непроницаема для катионов К+, Na+, Mg²+, анионов Cl», Br», NO₃ », сахаров и большей части аминокислот, а также для НАД⁺, НАДФ⁺, НАДН, НАДФН, для нуклеотид-5'-моно-, ди- и трифосфатов, коэнзима А и его эфиров.

Во внутренней мембране митохондрий локализованы дыхательные цепи и АТФ-синтетаза. Этот ферментный комплекс функционирует как окислительно-восстановительная протонная помпа.

Дыхательная цепь митохондрий растений и животных имеет сходную организацию, основные отличия касаются цианид – резистентного пути переноса электронов и строения НАДН-дегидрогеназного сегмента дыхательной цепи.

Растительные митохондрии способны окислять как эндогенны, так и экзогенны НАДН. Все переносчики электронов в митохондриях сгруппированы в четыре комплекса.

Комплекс I осуществляет перенос электронов от НАДН к убихинону. Он содержит ротенончувствительную НАДН-убихинон-оксидоредуктазу. В его состав входят ФМН и железосерные центры.

Согласно современным данным на поверхности внутренне мембраны локализована ротенон-нечувствительная НАДН-дигидрогеназа. Благодаря деятельности этой «внешней» НАДН-дегидрогеназы растительные митохондрии способны напрямую окислять цитозольные НАД.

Комплекс II осуществляет транспорт электронов от сукцината к убихинону. В его состав входят ФАД и три железосерных центра.

Перенос электронов на данном этапе ингибируется малонатом и оксалоацетатом; активируется сукцинатом, АТФ, АДФ, НАДH и др. агентами.

Имеются сведения, что торможение активности сукцинатдегидрогеназы оксалоацетатом, появляющееся после 2–6-ти часового охлаждения, выступает в качестве одного из механизмов, позволяющих растениям адаптироваться к действию низких температур.

Комплекс III переносит электроны от восстановленного убихинона к цитохрому с. Его структурная организация в митохондриях растений изучена пока слабо.

Известно, что в его состав входят цитохромы b₅₆₀ и b₅₆₆, цитохром с₁ и железосерный белок Риске. Этот комплекс чувствителен к антимицину А.

В терминальном комплексе IV электроны переносятся от цитохрома с к кислороду. Он содержит два цитохрома – а и а₃, а также два атома меди. Цитохром с-оксидаза блокируется цианидом, азидом.

Известно, что у растений и грибов, в отличие от животных, имеется альтернативны путь переноса электронов, который называется цианид-резистентным дыханием. Оно обусловлено активностью цианид-резистентной оксидазы. Предполагается, что местом ответвления альтернативно оксидазы от основной дыхательной цепи является убихинон, и в ее состав входит медьсодержащий флавопротеид. Перенос электронов по этому пути не сопровождается фосфорилированием.

Согласно одной из гипотез о механизме переноса протонов в дыхательной цепи выброс протонов из матрикса происходит в результате транспорта электронов между переносчиками Н-атомов и чисто электронными переносчиками. К атомным переносчикам относят ФМН, убихинон, цитохром с – оксидазу.

По теории Митчелла электрохимические трансмембранны потенциал ионов водорода является источником энергии для синтеза АТФ за счет обратного тока протонов через канал мембранно АТФ-синтетазы.

Таким образом, большая часть кислорода в митохондриях восстанавливается цитохромоксидазой в митохондриальной электронно-транспортной системе с образованием воды. Митохондрии растений имеют дополнительный сайт восстановления кислорода на альтернативно оксидазе, отличающейся от цитохром оксидазы ее резистентностью к цианиду. Считалось, что ни один из этих сайтов не образует значительное количество супероксида.

Действительно, в нормально функционирующих митохондриях освобождение АФК во время восстановления кислорода цитохром с оксидазой не происходит в связи с его высоким сродством с цитохромом с. Ввиду этого образование супероксида путем моноэлектронного восстановления кислорода на уровне цитохром с оксидазы несущественно. Однако в последнее время получено значительное количество данных, свидетельствующих о том, что митохондрии постоянно генерируют супероксид и перекись водорода.

Генерация этой активной формы кислорода происходит при участии НАДН-дегидрогеназы, флавопротеина и частично убихинона и цитохрома b. В нормально функционирующей дыхательной цепи электроны переносятся от НАДН к окисленно форме убихинона, при этом получаются восстановленные формы убихинона. Эта форма затем передает электроны на цитохром с оксидазу и превращается обратно в окисленную форму, проходя через форму свободного радикала – аниона семихинона.

Этот процесс вначале происходит на цитоплазматической поверхности внутренне митохондриально мембраны, а затем повторяется на матриксной поверхности мембраны. Антимицин А, который блокирует электронный поток после убихинона, усиливает восстановление кислорода. При этом антимицин А блокирует образование UQ» на матриксной поверхности мембраны, что вызывает аккумуляцию UQ» на ее цитоплазматической поверхности. Вероятно, другие условия, которые увеличивают восстановление убихинона, также благоприятствуют восстановлению кислорода в районе цепи убихинон – цитохром b.

Имеются данные, что образование митохондриями АФК в присутствии ротенона, который переводит НАДН-дегидрогеназу в постоянно восстановленное состояние, значительно стимулируется при добавлении сукцината, восстанавливающего убихинон.

Разные Fe-S белки и НАДН – дегидрогеназа также вовлечены как возможные са ты образования супероксида и перекиси водорода. В митохондриях, обладающих высокой интенсивностью цианид-резистентного дыхания, эффективность образования О₂~ может достигать значительных величин.

Таким образом, в митохондриях имеется все необходимое для протекания процессов ПОЛ: источники активного кислорода, субстраты перекисного окисления – ненасыщенные жирные кислоты митохондриальных мембран. В митохондриях присутствует железо в геминовой и негеминовой форме.

Следовательно, в условиях, когда генерация супероксида митохондриями возрастает, либо когда ослаблены антиоксидантные системы, в органеллах может накапливаться Н₂О₂, и это приведет к возникновению окислительного стресса.

В данной ситуации Н₂О₂ может реагировать с митохондриальным Fe²+, образуя высокоактивный радикал гидроксида путем реакции Фентона.

При физиологических условиях, кроме геминового железа и железа в форме FeS-белков, в митохондриях содержится еще приблизительно 1.7 моль Fe на 1 мг митохондриального белка. Это железо хелатировано такими веществами, как АТФ, АДФ, ГТФ и цитрат.

Эти низкомолекулярные комплексы железа способны инициировать процесс ПОЛ в митохондриальной мембране и, как предполагается, принимают участие в механизмах повреждения клетки во время различных стрессовых и болезненных состояний.

Последнее время изучение этих низкомолекулярных комплексов железа, особенно Fe-цитрата и Fe-АТФ привлекают значительное внимание исследователе, поскольку установлено их присутствие в матриксе в различных физиологических, стрессовых и болезненных состояниях. Установлено, что механизм, при помощи которого происходит индукция ПОЛ этими низкомолекулярными комплексами железа, требует наличия микромолярных концентраций Ca²+.

В то же время имеются данные, свидетельствующие о том, что генерация АФК в данном случае не зависит от функционирования дыхательной цепи митохондрий.

Процессы ПОЛ в митохондриях, индуцированные низкомолекулярными комплексами железа, вызывают изменения в спектрах мембранных белков, в частности, исчезновение белков с мол. массами 65 и 116 кДа и образование ряда дополнительных полос, по-видимому, из-за образования шиффовых оснований между продуктами ПОЛ и аминными группами белков.

Свободнорадикальные продукты ПОЛ и карбонильные соединения, например, малоновый диальдегид, обладают сильным повреждающим действием на митохондриальный геном. С эффектом именно этих соединений связывают нарушения структуры и экспрессии митохондриального генома растений в условиях in vivo.

Продукты ПОЛ способны вызывать увеличение неспецифической протонной проводимости внутренне мембраны митохондрий. Их относят к эффективным природным разобщителям. Активация процессов ПОЛ в митохондриях может вызвать нарушение окислительного фосфорилирования, поскольку эффект процесса синтеза ATФ зависит от структурной целостности внутренней мембраны.

Длительное протекание ПОЛ при стимуляции железом в митохондриях приводит к образованию так называемых «митохондриальных теней». Такие частицы не имеют дыхательного контроля и не способны к окислительному фосфорилированию.

Поврежденные митохондрии теряют барьерную функцию и способность накапливать ионы кальция. Ионы Ca²⁺ активируют многие внутриклеточные процессы, например, повышают активность мембранных фосфолипаз. Это приводит к накоплению свободных жирных кислот и лизофосфатидов, нарушающих структурную организацию липидных и белковых комплексов в мембранах, что в свою очередь увеличивает интенсивность ПОЛ. В результате недостатка энергии может наступить гибель клетки.

В митохондриях высших растений, так же, как и в митохондриях животных, выделяют три системы ПОЛ: неферментативные реакции, активируемые аскорбатом, ферментативные НАД и НАДФ-зависимые реакции.

Максимальная скорость накопления МДА в растительных митохондриях наблюдалась при концентрации ионов железа Fe³⁺ 20 мкМ. В экспериментах с изолированными митохондриями проростков кукурузы было показано, что прооксидантное действие Fe³⁺ усиливается при добавлении их к суспензии митохондрий в комплексе с аденозиндифосфатом.

При изучении зависимости скорости перекисного окисления от концентраций аскорбата, НАД НАДФH установлено, что при одинаковых концентрациях восстановителе скорость реакций пиридиннуклеотид-зависимого ПОЛ в 3–4 раза превышала таковую для аскорбат-зависимого процесса. Системы ПОЛ митохондрий растений отличаются также отношением к ингибиторам.

Неферментативная система ПОЛ проявляет высокую чувствительность к ЭДТА и ионолу. НАДБ-зависимое ПОЛ чувствительно к цианиду; ионол в это системе вызывал значительное ингибирование процесса при более низких концентрациях, чем в опытах с ферментативной системой.

В связи с тем, что в митохондриях в физиологических условиях постоянно происходит генерация супероксида, митохондрии обладают эффективно собственно антиоксидантной системой, имеющей в своем составе супероксид дисмутазу, глутатион пероксидазу, глутатион редуктазу, глутатион, НАДH-трансгидрогеназу, НАД, тиол пероксидазы, такие как SP-22, и собственно митохондриальное дыхание.

Уровень генерации митохондриями супероксида изменяется в зависимости от многих физиологических или стрессовых условий. Как отмечалось выше, образование АФК усиливается при восстановлении убихинона в присутствии антимицина А. Быстрое изменение редокс-состояния убихинона также стимулирует образование АФК митохондриями. Хотя разобщение окисления и фосфорилирования в митохондриях обычно уменьшает образование ими АФК, при некоторых специфических условиях оно может возрастать.

Например, протонофоры усиливают генерацию АФК при ингибировании дыхательной цепи антимицином А или в том случае, когда в митохондриях заингибирован Ca²+ унипортер и блокированы потоки кальция. С другой стороны, протонофоры и такие разобщающие белки как UCP млекопитающих, PUMP растений и альтернативная оксидаза растений способны при своем функционировании уменьшать образование АФК митохондриями.