Дипломная работа: Участие митохондриального АТФ-ингибируемого калиевого канала в адаптации животного к гипоксическому состоянию

Другим компонентом калиевого цикла является К⁺ /Н⁺ - антипортер, который в настоящее время также выделен из внутренней мембраны митохондрий и молекулярная масса которого, по данным профессора Гарлида, равна 82 кДа [37]. Предполагается, что антипортер ответственен за поддержание объема митохондрий при увеличении скорости входа калия через внутреннюю митохондриальную мембрану. Открытие митоК_АТФ кратковременно сдвигает баланс между К⁺ - унипортером и К⁺ /Н⁺ - антипортером до тех пор пока скорость выхода К⁺ через последний не достигает скорости входа К⁺ .

В настоящее время установлено, что митоК_АТФ участвует не только в поддержании объема митохондрий, но и в адаптации животных к экстремальным воздействиям. По результатам, полученным на моделях гибернирующего суслика и адаптированных к холоду животных, в лаборатории митохондриального транспорта было высказано предположение об участии митоК_АТФ в несократительном термогенезе [2,18]. Продолжение исследований в этом направлении может иметь значение для решения проблем анабиоза и гипотермического наркоза. Кроме того, в настоящее время стала широко изучаться роль митоК_АТФ в кардиопротекции, что будет обсуждаться ниже.

1.2. Свойства и регуляция митохондриального АТФ-зависимого калиевого канала

Изучение свойств митоК_АТФ показало, что он относится к семейству АТФ-зависимых калиевых каналов, впервые обнаруженных в цитоплазматических мембранах [46]. Основное общее свойство всех каналов, относящихся к этому семейству, состоит в том, что они ингибируются физиологическими концентрациями АТФ [31, 49, 53] и, являясь селективными для калия, обладают выпрямляющими свойствами, т.е. имеют разные скорости транспорта калия в зависимости от направления переноса ионов [31, 49].

Функционирование как митоК_АТФ , так и цитоК_АТФ зависит от редокс состояния активных групп белков-каналов. Установлено, что окислительно- восстановительные агенты модулируют работу митоК_АТФ . Донор электронов п-диметиламиноэтилбензоат (ДЕБ) активирует митоК_АТФ , а акцептор электронов - пеларгонидин ингибирует канал [29]. Эти реагенты влияют, вероятно, на SH-группы канала.

При гипоксии, как известно, в клетках значительно изменяется редокс баланс: наблюдается увеличение концентрации активных форм кислорода, изменение соотношений GSH/GSSG и НАД⁺ /НАДН. Такие сдвиги могут привести к модификации тиоловых групп цистеинов.

Хорошо известно, что АФК образуются и накапливаются в организме при различных патологических состояниях, в частности, при ишемии. Однако, они могут образовываться в клетке при нормальном функционировании [48, 52] как побочные продукты аэробного метаболизма и играть значительную роль в работе дыхательной цепи [33], а также в процессах внутриклеточной сигнализации [22, 50].

В экспериментах со встроенным в БЛМ митоК_АТФ было показано, что добавление в среду инкубации системы генерации радикала супероксид аниона – ксантин/ксантин оксидазы, приводило к активации канала уже в течение первой минуты инкубации [64]. При этом вероятность открытого состояния митоК_АТФ возросла приблизительно в три раза. По-видимому, действие свободных кислородных радикалов на канал опосредовано различными механизмами и направлено на его сульфгидрильные группы.

Другим универсальным фактором регуляции метаболизма является оксид азота II (NО).

Недавно стало известно, что синтез NO может происходить локально в митохондриях, возможно, за счет существования специфичной митохондриальной NO-синтетазы – mtNOS [59]. Было показано, что образованный в тканях NO обладает активирующим действием на митоК_АТФ [15, 36, 57]. Так как дыхательная цепь митохондрий является постоянным источником супероксид аниона, который легко вступает в реакцию с NO, вполне вероятно, что в митохондриях происходит образование пероксинитрита ONOO^- [38]. Предполагают, что активирующий эффект NOи пероксинитрита (ONOO^- )на митоК_АТФ осуществляется через активацию протеинкиназы С [35].

1.3. Фармакологическая модуляция митохондриального

АТФ-зависимого калиевого канала

Классификация митоК_АТФ как селективного К⁺ канала, напоминающего изоформу цитоК_АТФ , следует, в основном, из того, что оба канала имеют общие активаторы и ингибиторы. В настоящее время обнаружено большое количество подобного рода фармакологических агентов [51]. Эти данные обобщены в таблице 1.

Таблица 1. Модуляторы цитоплазматического и митохондриального К_АТФ каналов.

Модуляторы	митоКАТФ	митоКАТФ и цитоКАТФ	цитоКАТФ
Активаторы	диазоксид никорандил BMS-180448 BMS-191095 ДЕБ Тестостерон УДФ	кромакалим пинацидил Р-1060 силденафил изофуран EMD60480 априкалим P-1075 β- эстрадиол	МСС-134
Ингибиторы	5-HD МСС-134	глибенкламид	HMR1098(1833) Глимепирид

Селективность действия модулятора зависит от типа изучаемых клеток, условий эксперимента и, в основном, от используемых концентраций. Диазоксид и никорандил, например, активируют не только митоК_АТФ , но в более высоких концентрациях также активируют и цитоК_АТФ [16,58]; 5-HD помимо митоК_АТФ ингибирует при низких значениях рН цитоК_АТФ , активируемый АДФ [47].

Известно, что MCC-134, аналог априкалима, в поджелудочной железе ингибирует, а в гладкой мускулатуре активирует К_АТФ каналы. Недавно было показано, что этот препарат ингибирует митоК_АТФ , но активирует цитоК_АТФ в кардиомиоцитах.

Недавно, в лаборатории митохондриального транспорта было показано, что дифосфонуклеотиды являются активаторами канала, причем наиболее выраженный эффект наблюдался при активации канала УДФ.

Было показано, что дифосфонуклеотиды, такие как АДФ и ГДФ активируют реконструированную в БЛМ канальную субъединицу [29,43]. Данные по активирующему действию ГДФ в дальнейшем были подтверждены и другими исследователями [12]. Недавно было показано, что в ряду дифосфонуклеотидов наиболее эффективным является уридиндифосфат (УДФ) [42]. Этот фосфонуклеотид в микромолярных концентрациях активирует митоК_АТФ . Для активации цитоК_АТФ нужны значительно большие концентрации УДФ [8]. Реконструированный в БЛМ канал (митоKIR), после ингибирования АТФ, полностью реактивируется 20 мкМ УДФ. В интактных митохондриях, где присутствуют обе субъединицы, канал реактивируется теми же концентрациями УДФ, и эта активация снимается глибенкламидом и 5-НD [42]. Следовательно, участок связывания УДФ локализуется на канальной субъединице.

Функцию метаболических регуляторов могут выполнять также гормоны. Еще на первых этапах исследования митоК_АТФ в лаборатории митохондриального транспорта обнаружено, что прогестерон ингибирует его канальную субъединицу. В настоящее время появились данные о том, что женский половой гормон b-эстрадиол является, вероятно, активатором митоК_АТФ , так как он обладает кардиопротекторным действием, которое снимается 5-НD [61].

Мужской половой гормон – тестостерон, также оказывал как активирующее митоК_АТФ, так и кардиопротекторное действие [20]. При измерении активности митоК_АТФ по флуоресценции флавопротеидов в митохондриях сердца, а также методом петч-кламп по регистрации электрических характеристик мембран митопластов было установлено, что тестостерон вызывал окисление флавопротеидов и активацию каналов. Оба эффекта зависели от присутствия в среде К⁺ и были чувствительны к АТФ. Показано, что тестостерон оказывал эффект только на митоК_АТФ и не влиял на цитоК_АТФ [20].

Каналы, образованные в БЛМ белком с молекулярной массой 55 кДа, регулируются АТФ, как было ранее показано [3], который способен значительно снижать проводимость модифицированной белком мембраны. Ионы Mg²⁺ не оказывали значительного влияния на ингибирование канала АТФ.

В интактных митохондриях можно также наблюдать АТФ-зависимый транспорт калия, используя модель энергозависимого входа калия. АТФ в присутствии MgCl₂ способен был подавлять энергозависимый вход калия в митохондрии. Однако, в отличие от данных, полученных при реконструкции этого белка в искусственные мембраны, действующая концентрация АТФ значительно ниже. Другим отличием является абсолютная необходимость Mg²⁺ для ингибирования АТФ в случае интактных митохондрий, в то время как при реконструкции белка с М_r 55 кДа в БЛМ, Mg²⁺ не оказывает существенного влияния на эффект ингибирования калиевого канала АТФ.

Различия в действии Mg²⁺ , возможно, объясняются тем, что Mg²⁺ - связывающий участок локализован на регуляторной субъединице канала. Связывание регуляторной субъединицы с магнием увеличивает, вероятно, сродство к АТФ каналообразующей субъединицы.

Ингибирование нуклеотидом, вероятнее всего, осуществляется за счет его связывания в специфическом участке, а не в результате фосфорилирования белка, хотя таковое может иметь место. Интересно, что присутствие магния не является необходимым условием для ингибирующего эффекта АТФ при реконструкции митоKir (белка с М_r 55 кДа) в искусственные мембраны, следовательно, Mg²⁺ проявляет свой эффект только в интактных митохондриях, то есть при наличии двух субъединиц.

Так как ингибирующий эффект АТФ проявляется и при реконструкции только каналоформирующей субъединицы (митоKir) в БЛМ и липосомы, логично предположить, что нуклеотидсвязывающий участок расположен на каналообразующей субъединице, однако регуляторная субъединица (митоSUR) повышает сродство каналов к нуклеотиду.

В исследовании по регуляции транспорта калия адениновыми нуклеотидами с использованием модели выхода ионов K⁺ из митохондрий в присутствии разобщителя окислительного фосфорилирования было обнаружено, что ингибитор адениннуклеотидтранслоказы ― атрактилозид в концентрации 1 мкМ полностью предотвращал ингибирующее действие АТФ. Следовательно, можно предположить, что для ингибирования канала АТФ должен транспортироваться внутрь митохондрий, где и происходит его связывание с каналом. Исходя из этого, представляется, что нуклеотидсвязывающий участок митохондриального АТФ-чувствительного калиевого канала располагается на обращенной в сторону матрикса части белка-канала.

1.4. Структура митохондриального АТФ-зависимого

калиевого канала

Структура цитоК_АТФ и ген ее кодирующий к настоящему времени известны. Установлено, что этот канал состоит из двух субъединиц: канальной и регуляторной. Канальная субъединица имеет М_r 43-46 кДа и формирует АТФ-зависимый калиевый канал, который не регулируется специфическими модуляторами канала. Регуляторная субъединица имеет М_r от 60 до 174 кДа, в зависимости от ткани, и придает каналу чувствительность к модуляторам [7].

Несмотря на то, что свойства, регуляция и физиологическое значение митоК_АТФ в настоящее время широко изучаются, солюбилизация его из митохондриальных мембран и изучение структуры проводятся лишь в отдельных лабораториях. Так как митоК_АТФ имеет ряд общих свойств с цитоК_АТФ и регулируется общими регуляторами, было предположено, что по структуре он близок к цитоплазматическому каналу [43] и состоит из канальной субъединицы [42] и регуляторной [10]. МитоК_АТФ , также как и клеточный, является, по всей вероятности, гетеромультимером, состоящим из калиевого канала, белка с молекулярной массой 55 кДа, который имеет выпрямляющие свойства и который, по аналогии с цитоплазматическим каналом, назвали митоKIR [42] и рецептора, чувствительного к сульфонилмочевинам и поэтому названного митоSUR (Рис. 2) [10, 43].

Рис 2. Рабочая модель структуры митохондриального АТФ-зависимого калиевого канала (по Mironovaetal., 2004)

Белок, выделенный из внутренней мембраны митохондрий печени крысы, который формирует в БЛМ АТФ-зависимые каналы и имеет М_r 55 кДа (митоKIR), не ингибируется глибенкламидом и специфическим ингибитором митоК_АТФ 5-HD, и не активируется кромакалимом и диазоксидом. В то же время эти препараты влияли на АТФ-зависимый калиевый транспорт в изолированных митохондриях [42].

Константа ингибирования АТФ на реконструированном в БЛМ митоKIR была значительно выше, чем в интактных митохондриях и Mg²⁺ для этого ингибирования не требовался. В то же время, для ингибирования фосфонуклеотидом канала, локализованного в интактных митохондриях, присутствие ионов магния было необходимо [42]. Те же различия были обнаружены при сравнительном изучении влияния АТФ и сульфонилмочевины на цитоKIR и целый цитоК_АТФ [62]. Целый цитоК_АТФ ингибировался значительно меньшими концентрациями АТФ, чем канальная субъединица и был чувствителен к сульфонилмочевине и активаторам, в то время как канальная субъединица такой чувствительности не проявляла. Из этих данных был сделан вывод, что основной участок связывания АТФ в цитоК_АТФ локализован на канальной субъединице, а регуляторная субъединица повышает сродство канальной субъединицы к АТФ и обеспечивает чувствительность целого канала к активаторам и ингибиторам [62].

Приведенные выше результаты исследований митоК_АТФ подтверждают предположение о том, что белок с М_r 55 кДа является канальной субъединицей целого митоК_АТФ . Однако, для более прямого подтверждения этого предположения нами были получены антитела (АТ) на этот белок и показано, что они ингибируют АТФ-зависимый калиевый транспорт в интактных митохондриях, не влияя при этом на другие функции митохондрий, такие как окислительное фосфорилирование и транспорт кальция [6]. Функцию регуляторной субъединицы выполняет, вероятно, белок с М_r 63 кДа, связывающийся с меченым глибенкламидом [10].

1.5. Нарушения гомеостаза, вызванные гипоксией и механизмы его восстановления