Диссертация (Диагностическое значение определения особенностей митохондриальной ДНК при энцефаломиопатиях у детей), страница 3

Однако,сукцинатдегидрогеназа играет важнейшую роль в переносе электронов. Онакатализирует окисление сукцината до фумарата, а высвободившиесяэлектроны направляет на убихинон, восстанавливая его до убихинола [7].14Комплекс III, или убихинол-цитохром С-оксидоредуктаза, окисляетвосстановленный убихинон и восстанавливает цитохром С.

При этом,происходит «вертикальный» перенос четырех протонов в межмембранноепространство,осуществляемыйзасчетциклическогоокисленияивосстановления хинонов в самом комплексе [7].Комплекс IV, или цитохром С оксидаза, является терминальнымферментом аэробной ЭТЦ. Она катализирует перенос электронов на кислородс образованием воды, последовательно окисляя четыре молекулы цитохромаС и принимая четыре электрона. Освободившиеся четыре протона цитохром Соксидаза перекачивает через внутреннюю мембрану [8].Таким образом, комплексы I, III, IV, извлекают протоны извосстановительных эквивалентов и выбрасывают их в межмембранноепространство, создавая трансмембранный потенциал.

При достиженииразности потенциала между двумя сторонами >220 мВ, активируется комплексV, или АТФ-синтаза. В её структуре содержится два полуканала, по которымпроходит протонный ток, а также каталитический центр, которыйактивируется в результате изменения конформации белка [6].Эффективность,скоторойвосстановительныеэквивалентыконвертируются ЭТЦ в АТФ, называется эффективностью «сцепления»комплексовцепимеждусобой.Онаопределяетсяэффективностьювыкачивания протонов комплексами I, III, IV из матрикса, эффективностьюпреобразования протонного градиента в АТФ комплексом V и инымипротонными трансмембранными токами, не связанными с этими событиями.Вариабельность комплексов ЭТЦ часто связывают с эффективностьюсцепления.

Соответственно, структура этих белков может влиять насоотношение получаемых с пищей калорий, выработки тепловой энергии,потребление кальция, генерацию активных форм кислорода и пр. [11]151.4. Генерация активных форм кислородаАктивные формы кислорода (АФК) – обобщенная группа различныхмолекул и свободных радикалов, которые объединяет их происхождение измолекулярного кислорода. Основными формами являются пероксид H2O2,супероксид O−2, гидроксил радикал OH− и синглетный кислород.В небольших количествах АФК выполняют роль медиаторов привнутриклеточном сигналлинге [12]. Однако при их гиперпродукции наступаетокислительныйстресс,которыйчащевсегоприводиткзапускуапоптотических механизмов [13].

Клетка снабжена многоуровневой системойантиоксидантнойзащиты,котораявключаетвсебяферменты(супероксиддисмутаза, каталаза и др.) и низкомолекулярные соединения(глутатион, витамин С и пр.). Многие участники цикла трикарбоновых кислоти окислительного фосфорилирования также обладают антиоксидантнымсвойствами[6] .Митохондрии являются главным источником АФК: по разным даннымутечка из электрон-транспортной цепи составляет от 1 до 5% электронов, восновном это происходит между III и IV комплексами [11]. Любое нарушениемитохондриальногоредокспотенциалаприводиткзначительномуувеличению продукции АФК. Ряд факторов окружающей среды, таких каккурение, цианиды, грибные токсины, пестициды и т.п., а также многиефармпрепараты могут модулировать митохондриальный биогенез [14].

Этифакторы способны в той или иной степени ингибировать окислительноефосфорилирование и увеличивать продукцию активных форм кислорода,которыеповреждаютмитохондриальнуюДНК,постепенноснижаяспособность клетки аккумулировать энергию [15]. Кроме того, повышенныйуровень АФК также влияет на сцепленность компонентов ЭТЦ.

Измененнаябиоэнергетика митохондрий в свою очередь влияет на чувствительность ккалориям и их переработку, что в конце концов может приводить к рядуметаболических заболеваний [16].16Сегодня общепринята точка зрения, что повышенный уровень АФКявляется патогенным фактором, который снижает эффективность работытканей и органов и расходует энергетический потенциал организма [17].Описаны многочисленные свидетельства повреждения активными формамикислорода митохондриальной ДНК [18] [19] [20]. Действительно, молекулымтДНК в комплексе с шаперонными белками закреплены на внутреннейсторонекрист,итакимобразом,экспонированыдлявоздействияобразующихся в ЭТЦ радикалов [15].

При этом известно, что репарационнаясистемаДНКмитохондрийобладаетнизкойспецифичностьюиэффективностью, во многом схожа с бактериальной [21]. При накоплениикритическогоколичествамутациймтдНК,обычнозапускаетсямитохондриальный путь апоптоза [5]. Кроме того, свободно-радикальная (илииначе называемая, митохондриальная) теория является одной из главныхтеорий старения на данный момент [12].1.5. Митохондриальная ДНКМитохондрии обладают собственным автономным геномом, которыйпредставлен несколькими копиями (100 – 10 000 на клетку, что зависит от еёэнергетическогопотребления)суперспирализованнойдвуцепочечнойкольцевой ДНК.

У человека объем мтДНК составляет ~16 569 пар нуклеотидов[22]. Каждая копия мтДНК окружена собственным комплексом белков, т.е.представляет собой нуклеоид, как и ядерный геном. Нуклеоид включает в себяне только шапероны, но и многое необходимое для матричных операций(полимеразы, активаторы репликации и транскрипции, хеликазы и др.).Митохондриальные нуклеоиды ассоциированы со внутренней мембранойорганеллы и равномерно распределены вдоль крист [23].Известно, что цепи двуцепочечной молекулы митохондриальной ДНКимеют асимметричное распределение по нуклеотидам Г/Ц, т.е.

различаются помолекулярному весу [24]. Строение митохондриального генома крайнеконсервативно, всего он содержит 37 генов, 28 из них – на тяжелой (H-цепи),179 – на легкой (L-цепи). Все полипептиды, синтезируемые на мтДНК являютсясубъединицамиэлектронно-транспортнойцепиокислительногофосфорилирования. Семь генов (MTND1, MTND2, MTND4L, MTND4, MTND5,и MTND6) кодируют субъединицы респираторного комплекса I (НАДФдегидрогеназы или НАДФ убиквинон оксидоредуктазы); 1 ген (MTCYB)кодирует компоненты комплекса III (убиквинон цитохром С оксидаза); 3 гена(MTCO1, MTCO2 и MTCO3) кодируют составляющие комплекса IV (цитохромС оксидазы, или COX); и два гена (MTATP6 и MTATP8) кодируютсубъединицы респираторного комплекса V (АТФ-синтазы) [25]. На рисунке1.1 схематично изображено строение мтДНК.Рисунок 1.1.

Функциональная карта митохондриального генома.18По сравнению с ядерным, митохондриальный геном высоко эффективен– около 93% его являются кодирующими генами. Большинство генов –смежные и разделены одной-двумя некодирующими парами нуклеотидов.Некоторые гены могут перекрываться между собой, к примеру генысубъединиц АТФ-синтазы МТATP6 и МТАТР8. В мтДНК существует толькоодин принципиально некодирующий участок – контрольный регион (Dпетля); он же является самым вариабельным [8].Согласно последним данным, митохондриальный протеом состоит из~1700 белков (причем около 200 из них задействовано в ЭТЦ) [26].

Очевидно,что значительная часть митохондриальных белков кодируется в ядре: большаячасть белков системы окислительного фосфорилирования, компонентытранспорта белков в митохондрии, митохондриальные транслоказы, а такжефакторы, необходимые для транскрипции, трансляции и репликации мтДНК[26].Крометого,существуетнуклеарноевлияниенадинамикумитохондриальных сетей [4].1.6. Эволюционная значимость мтДНКЭукариотические клетки появились около 2 миллиардов лет назад какрезультат эндосимбиотического процесса [27]. На тот момент первичныеэнергетические ресурсы Земли истощились, и прокариотические организмыоказались на грани вымирания. Однако те из них, кто смогли вступить вовзаимодействие с окислительными альфа-протеобактериями, обрели протомитохондриальный аппарат и успешно выживали за счет нового источникаэнергии. В связи с такими переменами, рост и деление ядра стали зависеть отмитохондриальнойэнергииидоступностикалорий.Этовызвалонеобходимость создания системы по регуляции экспрессии ядерных генов иихрепликациивзависимостиотдоступаккалорийномусырью,опосредованной через митохондриальный генетический аппарат.

В результатеструктура ядерного хроматина была модифицирована и стала чувствительна кпроцессам с высокоэнергетическими посредниками: фосфорилирование с19помощьюАТФ,ацетилированиеспомощьюацетил-коэнзимаА,деацетилирование с НАД и метилирование с S-аденозилметионином [28].В то же время решалась и обратная задача – развитие механизмамодуляции митохондриального роста и репликации. Это сложнейшийпроцесс, включающий успешную миграцию митохондриальных генов в ядрои транспорт синтезируемых белков обратно в митохондрию, длился болеемиллиарда лет [9].