Роль митохондрий в обеспечении нормальной жизнедеятельности и выживания клеток млекопитающих
На правах рукописи
ХОЛМУХАМЕДОВ ЭХСОН ЛУКМАНОВИЧ РОЛЬ МИТОХОНДРИЙ В ОБЕСПЕЧЕНИИ НОРМАЛЬНОЙ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВЫЖИВАНИЯ КЛЕТОК МЛЕКОПИТАЮЩИХ 03.00.02 – биофизика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
ПУЩИНО 2009
Работа выполнена: Институт Теоретической и Экспериментальной Биофизики РАН, Пущино Российская Федерация Университет Северной Каролины, Чапел Хилл США (University of North Carolina at Chapel Hill, NC USA)
Официальные оппоненты: Доктор биологических наук, Профессор Виноградов Андрей Дмитриевич Доктор медицинских наук Профессор Маевский Евгений Ильич Доктор биологических наук Профессор Ягужинский Лев Сергеевич
Ведущая организация: ИНСТИТУТ БИОФИЗИКИ КЛЕТКИ РАН
Защита диссертации состоится “ 4 ”_Marta2009 г. в “_15-30_” часов на заседании совета Д 002.093.01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН по адресу: 142290, г. Пущино Московской обл., ул. Институтская, 3, ИТЭБ РАН
С диссертацией можно ознакомиться в центральной библиотеке ПНЦБИ РАН по адресу: 142290, Московская область, г. Пущино, ул. Институтская, 3.
Автореферат разослан “_”2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук Ланина Н.Ф.
ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Митохондрии являются важнейшими внутриклеточными структурами, выполняющими значительную роль в функционировании клеток млекопитающих в нормальных условиях и в развитии патологических процессов.
Развитие большинства патологических процессов, в частности аноксии, ишемии, геморрагического шока и окисления этанола сопровождается нарушениями нормального функционирования митохондрий и глобальной потерей митохондриальных функций. Это выражается в неспособности митохондрий поддерживать электрохимический градиент ионов водорода на внутренней мембране, с потерей способности эффективно осуществлять окислительное фосфорилирование, производство АТФ и сбалансированный митохондриальный Ca2+ ионный гомеостаз, несмотря на наличие кислорода, и субстратов окисления. Изучение роли митохондрий в жизнедеятельности клеток млекопитающих осложнено множественностью функций выполняемых митохондриями и переплетением внутриклеточных и внешних факторов, определяющих взаимодействие между митохондриями и остальными внутриклеточными структурами. Многочисленные экспериментальные данные указывают на то, что митохондрии являются первичными мишенями патологических воздействий, которые в большинстве случаев обусловлены нарушениями внутриклеточного Ca2+ гомеостаза. Кроме хорошо известной роли митохондрий как основного производителя АТФ, универсальной внутриклеточной энергетической “валюты”, митохондрии также принимают непосредственное участие в регуляции концентрации свободного внутриклеточного Ca2+, исполняя роль внутриклеточного кальциевого депо с низким сродством, которое, однако, по своей емкости намного превосходит емкости эндо - и/или саркоплазматического ретикулумов. В нормальной, покоящейся клетке, митохондрии, окруженные цитоплазмой с низким уровнем ионов Ca2+, находятся в стационарном состоянии умеренного покоя, так как концентрация Ca2+ Ca2+ свободного существенно ниже сродства митохондриальной транспортирующей системы митохондрий. Однако при переходных процессах концентрация ионов Ca2+ в цитоплазме значительно возрастает, в особенности в областях, заключенных между эндоплазматическим ретикулумом и митохондриями.
Вследствие этого митохондрии оказываются окруженными высокой концентрацией свободных ионов Ca2+, что способствует накоплению значительного количества ионов Ca2+ в матриксе. В этих условиях концентрация ионов Ca2+ в матриксе митохондрий достигает значений достаточных для индукции изменений состояния митохондрий:
увеличению производства АТФ, генерации кислородных радикалов, активации неспецифической поры в мембране митохондрий, набуханию и разрыву внешней мембраны митохондрий. Т.о. митохондриальный транспорт Ca2+, в зависимости от количества накопленного Ca2+, определяет судьбу клеток млекопитающих от нормального функционирования до программируемой или некротической, клеточной гибели. При ишемическом повреждении сердечной мышцы, эта способность митохондрий накапливать и освобождать ионы Ca2+ определяет степень пост ишемического повреждения сердечной мышцы. В период ишемии, когда из-за закупорки коронарных сосудов подача кислорода и метаболитов к клеткам сердечной мышцы ограничена, активность митохондриальной дыхательной цепи подавлена и митохондриальная мембрана деполяризована. При этом накопления ионов Ca2+ в митохондриях не происходит и никаких внешних проявлений повреждений тканей не наблюдается. Наиболее резкие нарушения структуры и функции митохондрий и клеток наблюдаются после восстановления потока свежей крови через закупоренные коронарные сосуды, что приводит к подаче кислорода и метаболитов к ишемической ткани и удалению продуктов метаболизма. Поступление кислорода к анаэробным митохондриям с высоким уровнем восстановленности дыхательной цепи и переноса электронов, сопровождается быстрым восстановлением митохондриального мембранного потенциала, что приводит к значительному и интенсивному накоплению ионов Ca2+ в матриксе. Повреждающее действие избыточного накопления ионов Ca2+ усиливается в условиях повышенного окислительного стресса, которое наблюдается при окислении многих ксенобиотиков, включая окисление этанола, в клетках печени.
Различные патологические условия, приводящие к повреждению митохондриальных функций, т.о. обусловлены избыточным накоплением ионов Ca2+ в митохондриях, которое приводит к открыванию неспецифической поры и потере важнейших митохондриальных функций. Следовательно, для понимания механизмов токсического действия ионов Ca2+, приводящего к нарушению митохондриальных функций, необходимо исследовать динамику этих ионов в клетках и определить их взаимодействие с митохондриями на различных уровнях – в изолированных митохондриях, в клеточных культурах и в целом органе.
ЦЕЛИ РАБОТЫ. 1. Определение участия и роли митохондриального транспорта ионов 2+ Ca в поддержании нормальной жизнедеятельности клеток млекопитающих. 2.
Исследование степени участия митохондрий в определении динамики концентрации свободных ионов Ca2+ в цитоплазме. 3. Изучение роли митохондриальной компоненты в механизмах ишемического повреждения и противоишемического защитного действия активаторов плазматических АТФ-зависимых калиевых (КАТФ) каналов. 4. Определение необходимости «умеренной» деполяризации митохондрий в пост-ишемическом периоде для восстановления механической активности сердечной мышцы. 5.
Определение механизма токсического действия этанола на метаболизм митохондрий в целых клетках. 6. Исследование последствий закрывания пориновых каналов и нарушения нормального обмена метаболитов между митохондриями и клеткой на жизнедеятельность и жизнеспособность клеток млекопитающих.