30 лет научного направления в МарГУ: изучение энергетических функций митохондрий

30 лет научного направления в МарГУ: изучение энергетических функций митохондрийФото пресс-службы МарГУ

 

В 2022 году МарГУ отмечает 30-летие одного из самых плодотворных научных направлений, связанных с изучением функционирования «силовых станций» живых клеток – митохондрий. Пройдя трудные для страны 90-е годы XX века, направление, требующее сложнейшей приборной базы и дорогостоящих реактивов, не только не затерялось благодаря энтузиазму ученых МарГУ, но и окрепло, став настоящей кузницей кадров для отечественной биоэнергетики и мембранологии.

         В Марийском государственном университете, начиная с 1992 г, проводятся фундаментальные исследования, направленные на выяснение механизмов и путей регуляции энергетических функций митохондрий животных в норме и при моделировании патологических состояний. Проводимые в течение 30 лет исследования можно условно разделить на 3 этапа. Ниже изложены наиболее важные научные результаты, полученные за 30 лет.

         Основные усилия на первом этапе исследований (1992 – 1999 гг) были направлены на изучение механизмов протонофорного разобщающего действия жирных кислот. На этом этапе исследования в МарГУ проводились на базе НИЛ «Биомониторинг» и кафедры анатомии и физиологии человека и животных (зав. кафедрой к.б.н. И.П. Зелди). В этот сложный для всей нашей страны исторический период существенную помощь в организации исследований оказали к.б.н. Зелди И.П. и к.м.н. Смирнов А.В.

         В 1995 – 1998 гг. Самарцевым В.Н. совместно с сотрудниками отдела биоэнергетики НИИ физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского МГУ: академиком В.П. Скулачевым, д.б.н. Е.Н. Моховой и к.б.н. О.В. Марковой впервые установлено, что в протонофорном разобщающем действии монокарбоновых жирных кислот в митохондриях печени и сердца крыс наряду с ADP/ATP-антипортером принимает участие белок внутренней мембраны митохондрий аспартат/глутаматный антипортер. Это открытие было подтверждено в лабораториях Войчака (Польша) и Шонфельда (Германия). Наш приоритет в этом научном направлении признан. По результатам исследований в 1999 г. Самарцевым В.Н. под руководством академика В.П. Скулачева и д.б.н. Е.Н. Моховой защищена докторская диссертация по специальности «биохимия».

         На втором этапе исследований (2000 – 2011 гг) основное внимание было уделено изучению путей регуляции протонофорного разобщающего действия жирных кислот в митохондриях животных разных видов и различного возраста. На этом этапе исследования в МарГУ проводились первоначально на базе кафедры биохимии и молекулярной биологии, в дальнейшем в лаборатории молекулярной биоэнергетики. В исследованиях под руководством профессора Самарцева В.Н. принимали участие, преподаватели кафедры Пайдыганов А.П., Кожина (Попова) О.В., аспиранты Марчик Е.И., Рыбакова С.Р., Шамагулова Л.В., студенты биолого-химического факультета МарГУ Белослудцев К.Н. и др.

         В 2002 г. Самарцевым В.Н. и Белослудцевым К.Н. была сформулирована оригинальная гипотеза о том, что участвующие в разобщении белки-переносчики внутренней мембраны митохондрий – ADP/ATP- и аспартат/глутаматный антипортеры функционируют как единый разобщающий комплекс с общим пулом жирных кислот и одним из путей регуляции разобщающего действия жирных кислот может быть их перераспределение между этими переносчиками.

         В 2003 – 2004 гг. Самарцевым В.Н. совместно с сотрудниками Института эволюционной физиологии и биохимии РАН им. И.М. Сеченова РАН д.б.н. Савиной М.В. и аспирантом Емельяновой Л.В. (выпускница МарГУ) впервые были обнаружены сезонные различия в активности индуцированного жирными кислотами свободного окисления в митохондриях печени лягушки и миноги речной: в апреле активность свободного окисления больше, чем в период метаболической депрессии в январе. Также в 2003 г. Самарцевым В.Н. совместно с преподавателем кафедры анатомии и физиологии человека и животных Пайдыгановым А.П. был проведен термодинамический анализ при изучении путей свободного дыхания в митохондриях печени в отсутствии (состояние 4) и в присутствии жирных кислот. Было установлено, что без жирных кислот (в состоянии 4) свободное дыхание митохондрий обусловлено пассивной диффузией протонов через каналы мембраны митохондрий, и этот процесс не зависит от текучести мембраны; в то время как протонофорное разобщающее действие жирных кислот зависит от текучести мембраны митохондрий. Было также предположено, что в разобщающем действии жирных кислот в митохондриях печени принимает участие переносчик фосфата. Эта гипотеза получила подтверждение в наших последующих исследованиях.

         В 2004 г. Самарцевым В.Н. при участии Пайдыганова А.П. впервые показано, что протонофорная разобщающая активность пальмитиновой кислоты в митохондриях печени млекопитающих уменьшается при увеличении массы тела различных видов животных: мышь, крыса, морская свинка, кролик. Был сделан вывод о том, что изменение протонофорной разобщающей активности жирных кислот в митохондриях печени различных млекопитающих подчиняется такой же закономерности, как и зависимость терморегуляторной эффективности метаболизма от массы тела гомойотермных животных. В дальнейшем совместно с Кожиной (Поповой) О.В. было установлено, что активность свободного дыхания в митохондриях печени крыс зависит от возраста животных: максимальна в митохондриях крысят месячного возраста и снижается по мере их взросления, достигая минимальных значений в митохондриях животных старческого возраста.

         В течение 2007 – 2010 гг. Кожиной (Поповой) О.В. под руководством Самарцева В.Н. было установлено, что при окислительном стрессе, вызванном как эндогенными процессами при старении животных, так и действием окисляющих агентов, в митохондриях печени белки-переносчики внутренней мембраны АDР/АТР- и аспартат/глутаматный антипортеры приобретают способность с более высокой скоростью переносить анионы жирных кислот с внутреннего монослоя мембраны на наружный.

         В 2011 г. Самарцевым В.Н. совместно с аспирантом Марчиком Е.И. было установлено, что свободные монокарбоновые жирные кислоты являются не только индукторами разобщения окислительного фосфорилирования при участии белков-переносчиков внутренней мембраны митохондрий АDР/АТР- и аспартат/глутаматного антипортеров, но и регуляторами этого процесса.

         На этом этапе исследований также были получены данные, свидетельствующие о том, что протонофорное разобщающее действие пальмитиновой кислоты в митохондриях печени обусловлено, помимо возвращения протонов в матрикс при участии ADP/АТР- и аспартат/глутаматного антипортеров, еще и активацией циклоспорин А-чувствительного транспорта электронов по дыхательной цепи без снижения Δψ. Потоки ионов через внутреннюю мембрану митохондрий могут служить фактором регуляции протонофорной разобщающей активности пальмитиновой кислоты при участии ADP/ATP антипортера, аспартат/глутаматного антипортера и системы циклоспорин А-чувствительного транспорта электронов. На этом этапе исследований под руководством проф. Самарцева В.Н. защитили кандидатские диссертации по специальности «Биохимия»: А.П. Пайдыганов (2004 г.), О.В. Кожина (Попова) (2007 г.) и Е.И. Марчик (2011 г.).

         Характерной особенностью третьего этапа исследований (с 2012 г. по настоящее время) является освоение новых направлений научных исследований лаборатории: 1) изучение влияния продуктов внутриклеточного окисления свободных жирных кислот: ω-гидроксикарбоновых и α,ω-дикарбоновых кислот на энергетику митохондрий; 2) выяснение механизмов сигнализации в эукариотических клетках одним из ключевых сигнальных агентов – свободного Са2+; 3) исследование роли митохондрий в развитии различных патологических процессов и болезней (гипоксия, сахарный диабет I и II типа, мышечная дистрофия Дюшенна и др.). На этом этапе исследования в МарГУ проводятся на базе кафедры лаборатории молекулярной биоэнергетики при кафедре биохимии клеточной биологии и микробиологии. В исследованиях под руководством профессора Самарцева В.Н. принимали участие сотрудники и аспиранты кафедры: Рыбакова С.Р., Адакеева С.И., Дубинин М.В., Ведерников А.А., Хорошавина Е.И., Семенова А.А., Степанова А.Е. На этом этапе исследований в кооперации с сотрудниками с МарГУ принимали участие сотрудники других научных организаций России: Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Института биофизики клетки РАН, Казанского федерального университета, Института нефтехимии и катализа РАН и др.

         Хорошо известно, что одним из путей метаболизма монокарбоновых жирных кислот у млекопитающих и человека является их ω-окисление, происходящее, главным образом, в клетках печени и почек и приводящее к образованию соответствующих ω-гидроксикарбоновых и α,ω-дикарбоновых кислот. Путь ω-окисления значительно усиливается при некоторых патологических состояниях, сопровождающихся увеличением содержания свободных монокарбоновых жирных кислот (ожирение, голодание, сахарный диабет, неалкогольная жировая болезнь печени и др.), а также при различных нарушениях их метаболизма.

         Ещё в 1999 г сотрудником НИИ физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского МГУ Марковой О.В. при участии Самарцева В.Н. было установлено, что одна из дикарбоновых жирных кислот α,ω-дикарбоновые жирные кислот – α,ω-тетрадекандикарбоновая кислота (ТДК) в отличие от монокарбоновых жирных кислот стимулирует дыхание митохондрий в состоянии 4 без снижения мембранного потенциала. Однако механизм такого действия α,ω-дикарбоновых жирных кислот долгое время оставался неизвестным. Только в 2013 г. под руководством Самарцева В.Н. аспирантами Рыбаковой С.Р., Дубининым М.В. и Адакеевой С.И. были получены данные, позволившие внести существенный вклад в плане выяснения механизма стимуляции свободного дыхания α,ω-дикарбоновыми жирными кислотами. Дальнейшие исследования по выяснению механизма действия α,ω-дикарбоновых жирных кислот были проведены под руководством Самарцева В.Н. аспирантом Семеновой А.А. при участии к.б.н. Дубинина М.В. в 2019 – 2022 гг. Установлено, что одна из α,ω-дикарбоновых жирных кислот – α,ω-гексадекандикарбоновая (ГДК) стимулирует свободное дыхание митохондрий печени путем внутреннего разобщения на уровне bc1 комплекса дыхательной цепи митохондрий (десопрягающее действие). Также установлено, что ГДК эффективно ингибирует в митохондриях генерацию пероксида водорода, т.е. обладает антиоксидантным действием.

         Наряду с этим Дубининым М.В. было показано, что длинноцепочечные α,ω-дикарбоновые и ω-гидроксикарбоновые кислоты в присутствии ионов кальция способны индуцировать неспецифическую проницаемость биологических мембран и в частности внутренней мембраны митохондрий. Было предположено, что такой механизм может способствовать гибели клеток при патологиях липидного обмена.

С 2019 года членами научной школы МарГУ активно изучаются механизмы и пути регуляции функциональной активности митохондрий при моделировании различных заболеваний у животных. Под руководством грантодержателей Российского научного фонда Белослудцева К.Н. и Дубинина М.В. установлено, что развитие гипоксии, сахарного диабета I и II типа, а также мышечной дистрофии Дюшенна сопровождается существенной дисфункцией митохондрий, снижением эффективности окислительного фосфорилирования, дисрегуляцией гомеостаза ионов кальция в митохондриях, развитием окислительного стресса. Предположено, что такие изменения могут оказывать существенное влияние на развитие указанных патологий, способствуя, с одной стороны адаптации животных, с другой стороны, напротив, благоприятствуя развитию деструктивных процессов. За последние годы получены значительные результаты, связанные с разработкой подходов и методов, направленных на коррекцию митохондриальной дисфункции при указанных выше патологиях. Установлено, что улучшение работы этих важных внутриклеточных органелл способствует облегчению течения сахарного диабета и миодистрофии Дюшенна и в перспективе может быть использовано в терапии этих патологий.

Без всякого сомнения на данный момент митохондриальная тематика любой направленности начинает превалировать во всей биологической науке, и доказательством этого является экспоненциальный рост публикаций, где ключевым словом служит «митохондрия» (см. базу данных PubMed, более 240 тыс. ссылок на момент подачи работы), причем в митохондриальную науку перенаправилось великое множество других отраслей биологии, в то время как в недавнем прошлом просто превалировал биоэнергетический аспект изучения функционирования митохондрий. Этот количественный рост числа исследователей митохондриальной деятельности, с одной стороны, стал положительным фактом, а с другой привел к тому, что в эту науку пришли исследователи, не имеющие базового, глубокого образования в митохондриологии, в частности, в биоэнергетике, что заставляет порой усомниться в качестве современной научной выходящей продукции. Тем более важно сохранение классической митохондриальной школы, на специалистов которой в мире имеется большой запрос. Это, по имеющейся практике, приводит к генерации среди классических специалистов таких фактов, к которым очень трудно придраться, во-первых, потому что они обоснованы со всех научных сторон, включая идеологию и методологию, а, во-вторых, потому что они продиктованы не однобоким (скажем, только молекулярно-биологическим) подходом, а всесторонним рассмотрением проблем митохондриологии, учитывая базовые и универсальные знания высокого качества молекулярных биологов, клеточных биологов, физиологов, иммунологов и других специалистов, которые находятся в составе коллектива проекта.

Отдавая отчет о постепенной утрате классической митохондриальной школы по всему миру, включая и нашу страну, отрадно отметить, что в МарГУ поддерживаются традиции «старых» классиков биоэнергетики, а также внедряются новые направления исследований в этой области, что позволяет верить в успешное будущее отечественной митохондриологии.

Реклама marsu.ru

...

  • 0

Читайте также:

Популярное

Последние новости