Митохондрии, апоптоз и АФК

Одним из результатов повреждающего действия окислительного стресса является вступление клетки в апоптоз.

Апоптоз - программируемая клеточная гибель, целью которой является избавление многоклеточного организма от поврежденных или ненужных клеток без ущерба для окружающей их клеточной массы. Апоптоз возник эволюционно очень давно и сохранил высокую степень консервативности. Он представляет собой сложный многоэтапный процесс.

Выделяют три основных фазы протекания апоптоза:

I фаза - индукция апоптоза. Она начинается от возникновения сигнала на мембранных рецепторах и протекает до передачи сигнала на каспазы.

II фаза - эффекторная. Происходит запуск каспазного каскада, а также активация других соединений, приводящих к необратимым изменениям в клетке.

III фаза - деградационная. Активированные эндонуклеазы осуществляют фрагментацию ДНК и конденсацию хроматина. Клетка распадается на апоптотические тельца, имеющие на поверхности маркеры для узнавания фагоцитами (фосфатидилсерины, аннексин V, калретикулин), захватывается и утилизируется макрофагами.

При исследовании механизмов апоптоза, связанного с окислительным стрессом, наибольший интерес вызывает фаза индукции апоптоза, поскольку именно в этой фазе осуществляется действие активных форм кислорода и ре-гуляция процессов. Кроме того, с торможением инициации апоптоза связывают дефекты программированной клеточной смерти опухолевых клеток.

Выделяют два основных пути, по которым происходит индукция апоптоза. Первый путь называют путем «рецепторов смерти» или рецепторным путем. Он начинается от рецепторов, расположенных на поверхности плазматической мембраны клетки и главным образом воспринимает информацию извне клетки. Поэтому его также называют внешним путем запуска апоптоза. Митохондриальный, или внутренний, сигнальный путь обычно привязывают к реакции клетки на внутренние изменения или повреждения. Он начинается на внутренней мембране митохондрии и завершается в цитоплазме. Упрощенно рецепторный и митохондриальный сигнальные пути апоптоза изображены на рис. 4 слайд.

При митохондриальном запуске апоптоза ключевым звеном является внутренняя мембрана митохондрии и существующий на ней мембранный по-тенциал. Было показано, что снижение мембранного потенциала в митохондрии клетки приводит к существенным изменениям состояния самой митохондрии: наблюдается отекание митохондриального матрикса, поры внутренней мембраны широко раскрываются, приводя к окислительно-восстановительному коллапсу, внешняя мембрана митохондрии разрывается.

Через раскрытые поры происходит выход ряда белков в цитоплазму, в том числе цитохрома с. При этом цитохром с взаимодействует с апоптотиче- ским фактором активации протеаз Apaf1 и прокаспазой 9 с образованием апоптосомного комплекса (апоптосомы), содержащего активированную кас- пазу 9. Каспаза 9 активирует каспазы 3 и 7. Так начинается каспазный каскад при митохондриальном сигнальном пути.

Транслокация проапоптозных белков к наружным митохондриальным мембранам, «открывающая» проницаемость их пор, стимулирует диффузию растворенных низкомолекулярных веществ через внутреннюю митохондриальную мембрану. В свою очередь разбухание митохондрий может вызвать разрыв внешней митохондриальной мембраны и выделение локализованных между мембранами белков, таких как цитохром с, фактор, индуцирующий апоптоз, (AIF) и другие проапоптозные белки. Кроме того, развивающиеся в митохондриях процессы пероксид- ного окисления липидов мембраны также способствуют ее деструкции и выходу в цитозоль вышеука-занных проапоптозных факторов (рис. 3 слайд), последующей фрагментации ядерной ДНК и апоптозу [119, 120]. По всей вероятности, апоптоз содействует патогенезу митохондриальных болезней. Дефицит цитохром с-оксидазы — один из наиболее общих ферментативных дефектов у больных с митохондриальными болезнями, возникающий независимо от присутствия или отсутствия известной мутации в митохондриальном или ядерном геноме

Апоптоз может быть запущен различными механизмами, включая усиление генерации активных форм кислорода, окисление митохондриального пула глутатиона, хроническое повышение свободного Са2+, истощение АТФ или изменения внутриклеточного pH, т.е. обусловлен всеми теми процессами, на которые могут воздействовать мутации мтДНК, что ведет к митохондриальной дисфункции. Активные формы кислорода — важный проапоптозный сигнал в арсенале биологических систем, реагирующих на нарушение жизнедеятельности клеток, а в некоторых случаях он даже может быть включен в сигнал, стимулирующий клеточную смерть.

Особое внимание уделяют процессам регуляции апоптоза в клетке. В настоящее время описывают ряд белков, осуществляющих регуляцию апоптоза и способных как стимулировать, так и ингибировать данный процесс. Одним их основных стимуляторов апоптоза выступает белок p53, который называют онкосупрессором. Этот белок обеспечивает синтез генов, участвующих в репарации ДНК, а также процессах вступления в апоптоз. Таким образом, белок p53 стимулирует вступление клетки в апоптоз, что препятствует возникновению опухоли. В условиях нормального клеточного цикла и при невысоком уровне повреждений ДНК относительно низкие концентрации р53 постоянно стимулируют внутриклеточные ферментные системы защиты — рибонуклеотидредуктазу (ключевой фактор репарации ДНК), МпСОД (первый барьер на пути потока активных форм кислорода), GPX (второй барьер для рас-пространения активных форм частиц) и изоформы Р-450 (барьер для проникших в клетку ксенобиотиков). Подобный оптимальный «тонус» функционирования защитных систем создает условия для длительного стационарного режима жизнедеятельности клетки (слайд).

Интересно, что тип р53 подавляет экспрессию гена МпСОД на уровне промотора и что в свою очередь повышенная экспрессия МпСОД уменьшает транскрипцию гена р53 на уровне его промотора и ингибирует опосредованную белком р53 индукцию апоптоза. Исходя из этого, повышенная активность белка р53 приведет к существенному снижению антиокислительных процессов в митохондриях и клетке в целом, что не может не увеличить разрушительное действие активных форм кислорода, которое в конце концов выразится в развитии апоптоза. Далее, неспецифический цитолиз первичных апоптотических клеток, вызовет «цепную» кластеризацию апоптотических клеток, что, несомненно, должно привести к снижению массы и функции органов и тканей, степень которого будет зависеть как от степени активации р53, так и от общего антиокислительного потенциала в том или ином органе или ткани, т.е. от стимулированного ими уровня окислительного стресса. При этом глутатионпероксидаза является целевым геном для белка р53: экспрессия эндогенной GPX существенно активируется как на уровне мРНК, так и на уровне ферментативной активности.

Из ингибиторов апоптоза наиболее широко изучен белок Bcl-2. Он действует на уровне возникновения митохондриального сигнального пути и способствует восстановлению ионного потенциала на внутренней мембране митохондрий и стабилизации цитохрома с. Таким образом, не происходит повреждения мембран, высвобождения цитохрома с и запуска каспазного каскада. Bcl-2 снижает эффект АФК на клетку и потому рассматривается порой как антиоксидант, хотя прямой ан- тиоксидантной активностью не обладает (Hildeman D.A. et al., 2003). Однако в то же время гиперэкспрессия Bcl-2 и подавление апоптоза данным белком при наличии повреждающих агентов окислительного стресса в клетке может спровоцировать клеточную малигнизацию.

TSPO, белок-транслокатор, translocator protein (18 kDa), перифериче-ский бензодиазепиновый рецептор (PBR). Среди функций TSPO в клетке описаны регуляция биосинтеза стероидов, транспорт холестерола, порфирина и анионов через мембраны, участие в процессах роста и дифференцировки клетки, регуляция клеточной пролиферации опухолей, регуляция клеточного апопто- за, управление митохондриальным мембранным потенциалом в электрон- транспортной цепи и регуляция работы кальциевых каналов. Принято считать, что механизм действия TSPO на апоптоз заключается в регуляции процесса открытия неспецифических митохондриальных пор (PTP), что является начальным этапом вступления клетки в апоптоз.

Поврежденные макромолекулы либо подвергаются репарации, либо уничтожаются, однако темпы репарации отстают от темпов появления нарушений, и в ходе онтогентического развития в организме накапливаются поврежденные молекулы.

Накопление неисправимых повреждений макромолекул может приводить к смерти клетки либо по пути некроза, либо по пути апоптоза.

Продукция супероксида возрастает в большинстве патологических процессов. Окислительный стресс нарушает функционирование митохондрий, направляя клетку на путь апоптоза. С этим связано возникновение разнообразных патологий, например, сепсиса, I/R травмы, осложнений при диабете и нейродегенеративных заболеваний.

Окислительный стресс, нарушение синтеза АТФ и нарушение кальциевого гомеостаза часто действуют одновременно, и каждый из этих типов повреждения ведет к двум остальным, таким образом, устанавливается замкнутый цикл. Наконец, все три фактора вместе вызывают возрастание мембранной проницаемости митохондрии (mPT). Это явление возникает из-за образования во внутренней мембране поры, которая вызывает набухание и нарушение функции митохондрий. Физиологическая роль mPT и структура пор неизвестна.

Литература

Гармаш С. А. Образование активных форм кислорода под влиянием ионов уранила и их токсическое действие: дис…кандидата биол. наук. ИТЭБ РАН. Пущино – 2013.

Гудков С. В. Механизмы образования активных форм кислорода под влиянием физических факторов и их генотоксическое действие: дис… доктора биол. наук. ИТЭБ РАН. Пущино – 2012.

Зенков Н.К. Окислительный стресс: биохимический и патофизиологический аспекты. / Зенков Н.К., Ланкин В.З., Меньщикова Е.Б. - М.: МАИК «Наука Интерпериодика», 2001. - 343 с.

Меньщикова Е.Б.. Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты. / Меньщикова Е.Б., Ланкин В.З., Зенков Н.К., Бондарь И.А., Круговых Н.Ф., Труфакин В.А. - М.: Слово. - 2006. - 553 с.

42. Меньщикова Е.Б., Зенков Н.К., Ланкин В.З., Бондарь И.А., Труфакин В.А. Окислительный стресс: патологические состояния и заболевания / Меньщикова Е.Б., Зенков Н.К., Ланкин В.З., Бондарь И.А., Труфакин В.А.; под ред. Е.Б. Меньщиковой. – Новосибирск: АРТА - 2008. - 284 с.

Смирнова В. С. Образование 8-оксогуанина и продуктов его окисления в ДНК in vitro по действием тепла, ионов уранила и-излучения : дис…кандидата биол. наук. ИТЭБ РАН. Пущино - 2005.

Тодоров И. Н. Митохондрии: окислительный стресс и мутации митохондриальной ДНК в развитии патологий, процессе старения и апоптозе //Российский химический жур нал. – 2007. – Т. 51. – №. 1. – С. 93-106.

РОГОВ А. Г. и др. АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ОКСИДАЗА: РАСПРОСТРАНЕНИЕ, ИНДУКЦИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, РЕГУЛЯЦИЯ, ФУНКЦИИ.

Пашков А. Н. ОЦЕНКА И КОРРЕКЦИЯ АНТИОКСИДАНТНОГО СТАТУСА И АПОПТОТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ У БОЛЬНЫХ С ДИФФУЗНЫМИ ЗАБОЛЕВАНИЯМИ ПЕЧЕНИ.

Рукша Т. Г., Постникова О. А. ВЛИЯНИЕ ПОЛИМОРФИЗМА ГЕНА КАТАЛАЗЫ НА ИНДУЦИРОВАННЫЙ ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ СТРЕССОМ АПОПТОЗ ЛЕЙКОЦИТОВ И КЛЕТОК МЕЛАНОМЫ КОЖИ.

БИЛАН Д. С. и др. ОСНОВНЫЕ РЕДОКС-ПАРЫ КЛЕТКИ //БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. – 2015. – Т. 41. – №. 4. – С. 385.

[1] Шиффовы основания (азометины) — N-замещенные имины, органические соединения общей формулы R1R2C=NR3, в которых азот связан с арильной или алкильной группой, но не с водородом