Медико-биологический
информационный портал
для специалистов
 
БИОМЕДИЦИНСКИЙ ЖУРНАЛ Medline.ru

СОДЕРЖАНИЕ ЖУРНАЛА:
Физико-химическая биология

Клиническая медицина

Профилактическая медицина

Медико-биологические науки


АРХИВ:

Фундаментальные исследования

Организация здравохраниения

История медицины и биологии



Последние публикации

Поиск публикаций

Articles

Архив :  2000 г.  2001 г.  2002 г. 
               2003 г.  2004 г.  2005 г. 
               2006 г.  2007 г.  2008 г. 
               2009 г.  2010 г.  2011 г. 
               2012 г.  2013 г.  2014 г. 
               2015 г.  2016 г.  2017 г. 

Редакционная информация:
        Опубликовать статью
        Наша статистика


 РЕДАКЦИЯ:
Главный редактор

Заместители главного редактора

Члены редколлегии
Специализированные редколлегии


 УЧРЕДИТЕЛИ:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
"Институт токсикологии Федерального медико-биологического агентства"
(ФГБУН ИТ ФМБА России)

Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук.

ООО "ИЦ КОМКОН".




Адрес редакции и реквизиты

199406, Санкт-Петербург, ул.Гаванская, д. 49, корп.2

ISSN 1999-6314

Российская поисковая система
Искать: 


ТОМ 1, СТ. 3 (стр. 32-36) // Декабрь, 2000 г.

АНАЭРОБНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ СУКЦИНАТА И ОБЛЕГЧЕНИЕ ЕГО ОКИСЛЕНИЯ ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ КЛЕТКИ К КИСЛОРОДНОМУ ГОЛОДАНИЮ

Е.И.Маевский, Е.В.Гришина, А.С.Розенфельд, А.М.Зякун, И.М.Верещагина, М.Н.Кондрашова
Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, 142290, Пущино Московской oбласти



Показаны важная роль анаэробного образования сукцината при аноксичееких и гипоксических состояниях, а также активация окисления сукцината в условиях гипоксии. Сделан вывод, что для поддержания знергсжки животных клеток в условиях кислородного голодания при аноксии и гипоксии целесообразно использовать субстраты, способные участвовать в анаэробном образовании сукцината, тогда как в гипоксическнх условиях имеет смысл использовать собственно сукцинат.
Ключевые слова: анаэробные процессы, гипоксия, митохондрии, субстраты.

Кислородное голодание встречается при многих физиологических состояниях и заболеваниях сердечно- сосудистой системы, легких, крови, отравлениях различными лекарственными препаратами и ядами. В зависимости от глубины кислородного голодания различают гипоксию и аноксию. На уровне митохондрии (MX) состояния гипоксии и аноксии отличаются по степени восстановленности дыхательных переносчиков. При аноксии, характеризующейся отсутствием доставки кислорода к клеткам, все переносчики дыхательной цепи полностью восстановлены. При гипоксии, когда частично сохранена доставка кислорода, наиболее удаленные от кислорода пиридин-нуклеотиды - НАД и НАДФ, как правило, восстановлены на 100%, тогда как часть флавопротеидов и цитохромныи участок дыхательной цепи остаются в значительной мере окисленными [1,2]. Такие различия в степени восстановленности пиридиннуклеотидов и флавопротеидов позволили предположить [З], что в условиях гипоксии имеется возможность для преимущественного окисления янтарной кислоты, поскольку, сукцинатдегидрогеназа в отличие от большинства других дегидрогеназ является флавинзависимым ферментом. При этом всегда возникал вопрос, откуда берется сукцинат, если НАД- зависимые субстраты окисляться не могут. С другой стороны, известно, что в аноксических условиях сукцинаг не окисляется, а накапливается в результате образования из НАД-зависимых субстратов и аминокислог [4 -7]. Мы предположили, что анаэробное образование сукцината (АОС) можег идти не только при аноксии, но и при гипоксии.
Цель настоящей работы заключалась в анализе функционального значения образования и окисления янтарной кислоты при кислородном голодании. Рассмотрим сначала аноксические условия. Аноксию моделировали in vitro путем инкубации густой суспензии MX (15 20 мг белка на мл) в закрытой ячейке, когда за несколько секунд МX полностью восстанавливают растворенный в инкубационной среде кислород, либо путем внесения в инкубационную среду антиминина А, блокирующею дыхательную цепь на уровне циюхрома b, что предотвращает окисление в дыхагельнои цепи как пиридиннуклеотидов, так и флавопротеидов.
Образование сукцината из различных субстратов измеряли методом Н-ЯМР-спектроскопии [7]. Оказалось, что АОС в изолированных митохондриях печени, сердца и коркового слоя почек крысы интенсивно идет из а-кетоглутаpaтa с малатом, а-кетоглутарата с аммонием и из малата (рис. 1).
Страница 32вверх (Сукцинат)


Сукцинат

Сукцинат

В митохондриях печени морской свинки кроме указанных источников сушественный вклад в процесс АОС вносит фосфоенолпируват в присутствии бикарбоната.
В литературе доминирует представление о том, что адаптивная роль АОС обусловлена поддержанием образования богатых энергией соединений. Однако выполненые нами исследования [8,9] показали, что энергетический выход процесса АОС мал и в лучшем случае способен лишь затормозить падение oтношения АТФ/АДФ и величины трансмембранного электрохимического потенциала ионов водорода в изолированных MX. Но на уровне клеток активация АОС в присутствии глюкозы оказалась энергетически весьма эффективной: существенно препятствовала падению отношения АТФ/АДФ в изолированных кардиомионитах и культивируемых клетках почки [Ч].
Сопоставив полученные данные с литературными данными, мы предположили, что АОС траст особую адаптивную роль в клетках животных. Не исключая из рассмотрения собственный вклад ДОС в энергетику клеток, можно полагать, чю зтот процесс выполняет также роль дополнительного акцептора воссгановительных эквивалентов, обеспечиваюшего их отток из цитозоля, из реакций гликолитичсской оксидоредукции, например, так, как это показано на рис.2.
В результате может поддерживаться высокая активность гликолиза при относительно небольшом приросте лактата. Соответственно конечными продуктами анаэробного обмена при этом являются не только лактат и пируват, но еще аланин и сукцинат.
Не исключено, что повышение устойчивости клеток и MX к аноксии при активации АОС обусловлено тем, что процесс АОС обеспечивает протекание ряда ферментативных реакций в цикле трикарбоновых кислот и в дыхательной цепи, несмотря на отсутствие кислорода. Поддержание редокс-превращений субтратов и дыхательных переносчиков является важным фактором морфофункциональной стабилизации MX (10).
Анализ гипоксической ситуации мы провели на двух моделях:
1) при инкубации MX в среде с пониженным в шесть раз парциальным давлением кислорода и
2) при торможении дыхательной цепи MX ротеноном, блокирующим перенос восстановительных эквивалентов от пиридиннуклеотидов до флавопротеидов, вследствие чего создастся ситуация, подобная гипоксии: восстановленные пиридиннуклеотиды и соответственно НАД-зависимые субстраты окисляться не могут, а флавопротеиды сохраняются в окисленном состоянии.
Оказалось, что в условиях ротенонового блока может происходить дисмутация а-кетоглутарата в присутствии аммония (реакция 5 на схеме рис.2), что проявляется в виде poтеноннечувствительного дыхания, ингибируемого малонатом (11).
Другие субстратные композиции, также и даже в большей мере, чем дисмутация а-кетоглутарата, способны поддерживать на фоне ротенонового блока генерацию трансмембранного потенциала, подобно экзогенному сукцинату (рис.3). Отсюда мы сделали вывод, что реакции АОС могут происходить не только в условиях аноксии при полном восстановлении дыхательной цепи,но и в том случае, когда имеется достаточно высокий уровень восстановленности пиридиннуклеотидов при гипоксии.

Страница 33вверх (Сукцинат)


Митохондрии

Рис.2. Схема возможного взаимодействия гликолитической оксидоредукции (1) некоторых реакций АОС {4,5}. Показано уменьшение образования лактата при вовлечении части пирувата в переаминирование (2) при использования восстановительных эквивалентов, поставляемых малат-аспартатным челноком (3). в реакциях восстановительного обращения цикла трикарбоновых кислот до сукцината (4) и в анаэробной дисмутации а-кетоглутарата (5).

Для решения вопроса о возможности ускорения окисления сукцината относительно НАД-зависимых субстратов в гипоксических условиях мы использовали подход, позволяющий по скоростям потребления кислорода и образования углекислого газа отличать окисление сукцината от пирувата, а-кетоглутарата или изоцитрата. Как показано на рис.4, скорости дыхания и окислительного фосфорилирования при окислении сукцината намного выше, чем при окислении пирувата. Окисление пирувата сопряжено со значительным выделением в среду углекислоты, соответственно величина дыхательного коэффициента ДК достигает 2,0. Тогда как при окислении сукцината величина ДК нс превышает 0,01. Таким образом, по характерным кинетическим кривым регистрации потребления кислорода и образования СО2 можно уверенно отличать окисление пирувата (а также а-кегоглутарата или изоцитрата) от окисления сукцината.
В случае совместного внесения в инкубационную среду обоих субстратов, при последовательном увеличении отношения сукцицат/пируват происходило быстрое падение ДК и АДФ/0 с одновременным увеличением скоростей дыхания и степени восстановления трансмембранного потенциала после фосфорилирования АДФ, что характерно для сукцината (таблица1).
Возможно, это отражает предпочтительное окисление сукцината, хотя величина Км для сукцината в нормоксических условиях выше, чем для пирувата (таблица2).

Страница 34вверх (Сукцинат)

Сукцинат

Рис.3. Изменение мембранного потенциала, измеренного по распределению липофильного катиона тетрафенилфосфония (ТФФ) между средой и матриксом MX печени, под влиянием ротенона и экзогенных субстратов (сукцината и субстратов - источников АОС). Условия инкубации, как на рис.1. Концентрация MX 4 мг белка на мл. Видно, что ЦАД-эаииснмые субстраты, способные участвовать в АОС, в отличие от б-оксимасляной кислоты, в разной степени поддерживают мембранный потецциал, подобно добавке сукцината.


Сукцинат

Сукцинат При снижении Ро2 в инкубационной среде от 150 до 25 мм рт.ст. - условия, в которых может возрастать степень восстановленности пиридиннуклеотидов [ 5 ], - константа сродства для сукцината существенно снижалась, а для пирувата возрастала (табл.2).
Возможно, это отражает изменение как активности транспортных систем MX, так и соответствующих дегидрогеназ, в частности активацию сукцинатдегидрогеназы при увеличении степени восстановленности дыхательных переносчиков и, напротив, торможение окисления НАД-зависимых субстратов при росте отношения НАДН/НАД. Такое увеличение сродсгва к сукцинату при снижении PQ хорошо согласуется с ранее полученными нами данными о значительном (на 45 %) снижении содержания сукцината в ткани печени крыс, находившихся в течение 15-30 мин. в условиях гипоксии (в барокамере на высоте 8000 м).
Таблица 1. Изменение скоростей дыхания митохондрий печени, дыхательного коэффициента, отношения АДФ/0 и степени восстановления трансмембранного потенциала после фосфорилирования добавленного АДФ в зависимости от соотношения экзогенных сукцината и пирувата в инкубационной среде.

Страница 35вверх (Сукцинат)
Субстрат
Субстрат

Таблица 2. Сравнение кажущихся констант сродства для сукцината и пирувата, рассчитанных в oбратных координатах 1/S и 1/V Лайнуивера-Бэрка по скоростям потребления кислорода изолированными митохондриями печени крысы.

Сукцинат

Представленные данные свидетельствуют о важной роли анаэробного образования сукцицата при аноксических и гипоксических состояниях, а также об активации окисления сукцината в условиях гипоксии. Отсюда следует, что в качестве средств поддержания энергетики животных клеток в условиях кислородного голодания при ацоксии и гипоксии целесообразно использовать субстраты, способные участвовать в анаэробном образовании сукцината, тогда как в гипоксических условиях имеет смысл использовать собственно сукцинат.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Schotz R.. Thiirman R. G.,WiUamwn J.R., Chance В. Burlier T. II S. Biol. Chem.1969. V. 2-1.4, © 9 Р. 2317-2324.
2. Лукьянова Л.Д., Балмуханов Б.С., Уголев А.Т. Кислородзависимые процессы в клетке и ее функциональое состояние. М.: Наука, 1982, 301 с.
3. Кондрашова М.Н.. Маевский Е.И., Бабаян Г В., Саакян И.Р.. Ахмеров Р.Н. // Митохондрии. Биохимия и ультраструктура. М: Наука, 1973 С, 112-129.
4. Taeglmeyer H. // Cue. Res. 1978. V 43. Г. 808-815.
5. Хочачка П., Сомеро Дм. Биохимическая адаптация. М.: Мир, 1988. 568с.
6. Рenney D.G., Cascarana J. // Biocheni. J. 1970. V. 118. Г 221-227.
7. Писаренко О.И.. Хлопков В. Н.//., Рууге Э.К. // Биохимия. 1986. Т. 51. С.1174-1179.
8. Маевский Е.И.. Гришина Е.В., Окон М.С., Кутышенко В.П. //Фармакологическая коррекция гипоксических состоянии. М., 1989, С. 80-86.
9. Гришина Е.В. Энергетическая эффективность различных путей анаэробного образования сукцината в митохондриях животных: Автореф. дис....канд. биол. наук Пущино, 1997
10. Лузиков В.Н. Регуляция формирования митохондрий. М.Наука, 1980, 316 с.
11. Кондрашова М.Н., Маевский Е.И.            Митохондриальные процессы во временой жизнедеятельности. Пущино, 1978, С. 6-12.

Страница 36вверх (Сукцинат)

Свидетельство о регистрации сетевого электронного научного издания N 077 от 29.11.2006
Журнал основан 16 ноября 2000г.
Выдано Министерством РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций
(c) Перепечатка материалов сайта Medline.Ru возможна только с письменного разрешения редакции

Размещение рекламы

Rambler's Top100