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 IIосуществляет 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 IIIпереносит 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 IVэлектроны 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 Н2
О2
, и это приведет к возникновению окислительного стресса.
В данной ситуации Н2
О2
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 invivo.
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.
Этот факт может быть объяснен тем, что разобщение окисления и фосфорилирования усиливает митохондриальное дыхание, уменьшает время жизни радикала семихинона и, следовательно, вероятность образования супероксида за счет передачи электрона от радикала семихинона на кислород.
Поскольку внутренняя мембрана митохондрий содержит большое количество белков, то считается, что они являются одно из первичных мишеней АФК в митохондриях.
Действительно, тиоловые группы мембранных белков подвержены сильному окислению в условиях Ca2
+ индуцированного митохондриального окислительного стресса.
В присутствии ионов Ca2+
окислительные повреждения в белках внутренне митохондриальной мембраны вызывают явление неспецифической проницаемости внутренне митохондриальной мембраны вследствие открытия пор. Это явление характеризуется прогрессирующим увеличением проницаемости внутренне митохондриальной мембраны, которая последовательно становится проницаемо для протонов, ионов, осмотиков и даже небольших белков. Убедительное доказательство тому, что MPT может быть прямо причиной апоптоза, представлено P. Petit с соавторами. Они показали, что индукция МРТ приводит к высвобождению из межмембранного пространства находящегося там белка, «фактора индукции апоптоза». Этот белок вызывает при добавлении апоптические изменения в изолированных ядрах и также, в свою очередь, способен вызывать МРТ. Таким образом, индуцированный MPT апоптозис может быть одним из механизмов защиты клетки от выработки избыточных количеств АФК.
Таким образом, на основании имеющихся к настоящему времени данных можно считать, что, прежде всего, митохондрии растений во время низкотемпературного стресса являются одним из основных источников АФК, вызывающих окислительные повреждения мембранных липидов, белков и нуклеиновых кислот.
При этом во время низкотемпературного стресса генерируемые митохондриями АФК могут принимать участие в апоптозе. В то же время в митохондриях имеются мощные антиокислительные системы, позволяющие растительной клетке регулировать образование АФК и, вследствие этого, контролиролировать интенсивность процессов ПОЛ. Одно из этих систем являются недавно открытые в растениях митохондриальные разобщающие белки.