Адаптация митохондрий сердца к гипоксии зависит от интенсивности нагрузки
Сотрудники Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН совместно с коллегами из Научно-исследовательского института общей патологии и патофизиологии продолжают исследовать, как митохондрии адаптируются к недостатку кислорода.
В новой работе они проследили, как митохондрии сердечной мышцы перестраивают свою работу при повторяющейся гипоксии. В эксперименте на крысах умеренное снижение содержания кислорода запускало согласованные изменения энергетического обмена и структуры митохондрий, тогда как наиболее жёсткий режим подавлял синтез АТФ и приводил к выраженным повреждениям этих органелл. Результаты опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.
Сердцу постоянно требуется большое количество энергии для сокращений, и основную роль в её выработке играют митохондрии. При недостатке кислорода клеткам приходится перестраивать работу дыхательной цепи — системы белковых комплексов, обеспечивающей синтез АТФ. Такая перестройка может помочь организму приспособиться к гипоксии, но при чрезмерной нагрузке защитная реакция сменяется нарушением энергетического обмена.
Чтобы проследить границу между адаптацией и повреждением, исследователи изучили животных с разной врождённой устойчивостью к недостатку кислорода. Крыс подвергали повторным гипоксическим воздействиям в течение 20 тренировочных сеансов, используя три отдельных режима: 14 %, 10,5 % и 8 % кислорода. Они примерно соответствуют условиям на высотах 3000, 5000 и 7000 метров над уровнем моря.
По словам первого автора исследования Натальи Хмиль, эти три режима гипоксических тренировок были предложены и отработаны в лаборатории профессора Людмилы Дмитриевны Лукьяновой на основе многолетних исследований гипоксических состояний разной степени тяжести. «При нормоксии доля кислорода составляет около 21 %. Первый, „слабый“, режим — 14 % кислорода — моделирует снижение его содержания примерно на треть, как при подъёме на высоту около 3000 метров. Такие условия способен переносить практически любой организм. Снижение содержания кислорода до 10,5 % и тем более до 8 % соответствует уже умеренной и тяжёлой гипоксии, которая вызывает значительно более выраженные изменения», — прокомментировала она.
В ходе исследования учёные оценивали содержание каталитических субъединиц пяти комплексов дыхательной цепи и синтез АТФ, а также с помощью электронной микроскопии анализировали ультраструктуру трёх групп митохондрий в клетках миокарда. Такой подход позволил сопоставить биохимические сигналы с изменениями внутреннего строения митохондрий.
Коллектив авторов: доктор биологических наук Любовь Павлик; заслуженный деятель науки, доктор биологических наук профессор Галина Миронова; первый автор статьи Наталья Хмиль
При умеренной гипоксии — 14 % и 10,5 % кислорода — каждое очередное воздействие активировало митохондриальный комплекс II и комплексы III–V. Эта реакция воспроизводилась в первые 8–12 сеансов. После 20 тренировок синтез АТФ возвращался к исходному уровню, что исследователи рассматривают как признак завершившейся адаптации. Одновременно упорядочивалась ультраструктура митохондрий; наиболее выраженный адаптивный эффект наблюдался при 14 % кислорода.
Иная картина возникала при 8 % кислорода. В этом режиме подавлялась работа сукцинатдегидрогеназы — фермента комплекса II дыхательной цепи, снижался синтез АТФ и развивались заметные структурные нарушения митохондрий. Таким образом, усиление гипоксии не просто увеличивало адаптивный ответ, а переводило сердечную ткань в качественно другое, повреждающее состояние.
Полученные данные показывают, что активность ферментов дыхательной цепи и состояние разных групп митохондрий могут служить информативными экспериментальными показателями функционального и метаболического состояния сердца. Результаты помогают точнее понять, по каким признакам можно отличить полезную адаптацию к недостатку кислорода от перегрузки, опасной для клеток миокарда. Работа выполнена на животных, поэтому для переноса выводов в клиническую практику потребуются дополнительные исследования.
Как рассказала Наталья Хмиль, опубликованная работа завершает цикл исследований однократных и многократных гипоксических воздействий. «Первая часть цикла была посвящена изменениям, происходящим в мозге, а вторая — в сердце. Оба этих органа в первую очередь страдают при недостатке кислорода. Однократное гипоксическое воздействие позволяет увидеть срочную реакцию организма, а многократные тренировки — проследить формирование устойчивых адаптационно-приспособительных изменений», — прокомментировала Наталья Хмиль.
Таким образом, работа завершает цикл исследований, позволяющий проследить путь от срочной реакции на однократную гипоксию до устойчивой адаптации при повторных воздействиях. Полученные результаты подчеркивают, что решающее значение имеет интенсивность нагрузки: умеренный недостаток кислорода способен запускать приспособительные перестройки в митохондриях сердца, тогда как тяжёлая гипоксия нарушает их структуру и энергетическую функцию. В дальнейшем эти данные могут помочь точнее определить границы безопасного и эффективного гипоксического воздействия.
Источник: пресс-служба ИТЭБ РАН.
