Выявлен новый механизм защиты митохондрий, препятствующий открытию митохондриальной поры
Сотрудники Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН исследовали, как адениновые нуклеотиды — молекулы, участвующие в энергетическом обмене клетки, в том числе АТФ и АДФ, — препятствуют открытию неспецифической Са2+-зависимой митохондриальной поры (mPTP). Учёные предложили новый механизм, согласно которому защиту обеспечивает согласованный обмен нуклеотидов с участием нескольких транспортных белков, а не только взаимодействие АТФ или АДФ с одним из них. Результаты опубликованы в журнале Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Bioenergetics.
Митохондрии снабжают клетку энергией и участвуют в регуляции концентрации кальция. При перегрузке кальцием и других неблагоприятных условиях во внутренней мембране митохондрии может открыться так называемая митохондриальная пора, обеспечивающая переход в состояние проницаемости (mPTP, mitochondrial permeability transition pore). Её открывание сопровождается набуханием, нарушением работы митохондрий, и активацией белков, запускающих процессы клеточной гибели.
Особенно важную роль этот процесс может играть при ишемии и последующем восстановлении кровоснабжения — реперфузии. Во время ишемии меняются концентрации и соотношение адениновых нуклеотидов. Это способно повысить вероятность открытия поры после возвращения кислорода и питательных веществ в ткань.
Известно, что адениновые нуклеотиды могут защищать митохондрии от открывания поры. Ранее этот эффект часто связывали прежде всего с их взаимодействием с транслоказой адениновых нуклеотидов ANT — белком, который переносит АТФ и АДФ через внутреннюю мембрану митохондрии. Предполагалось, что связывание нуклеотидов удерживает ANT в определённой (m) конформации и тем самым препятствует открытию поры. Однако накопленные экспериментальные данные не позволяли полностью объяснить механизм такой защиты.
Авторы работы оценивали открытие поры по набуханию митохондрий и их способности удерживать кальций. Исследователи варьировали концентрации неорганического фосфата и ионов магния в инкубационной среде, а также добавляли ингибиторы ANT и АТФ-синтазы.
При концентрациях, близких к физиологическим, адениновые нуклеотиды значительно сильнее подавляли набухание митохондрий и повышали их способность удерживать кальций, чем бонгрековая кислота — мощный ингибитор ANT, который стабилизирует этот белок в защищающей m-конформации. Защитное действие нуклеотидов сохранялось и при использовании другого ингибитора ANT — карбоксиатрактилозида, который переводит все молекулы ANT в с-конформацию, ускоряющую открывание поры. Это указывает на то, что эффект нельзя объяснить только фиксацией транслоказы в определённом состоянии.
Исследователи также установили, что кальций запускает быстрый ANT-независимый обмен адениновых нуклеотидов и фосфата между матриксом митохондрий и внешней средой. В отсутствие адениновых нуклеотидов снаружи митохондрий, это ведёт к их выходу из матрикса и повреждению органелл. Если же уровень АТФ или АДФ близок к физиологическому, то они повышают эффективность связывания и удержания кальция митохондриями. Любопытно, что магний и бонгрековая кислота подавляли ANT-независимую потерю адениновых нуклеотидов митохондриями, а карбоксиатрактилозид — нет.
На основании новых и ранее полученных данных авторы предложили другой механизм защиты митохондрии от открытия поры. Согласно ему, ключевую роль в нем играет согласованная работа ANT и короткого кальций-зависимого митохондриального переносчика SCaMC. Обмен адениновыми нуклеотидами с участием этих белков помогает тонко регулировать соотношение фосфата, кальция и протонов внутри митохондрии. Благодаря этому кальций эффективнее удерживается в матриксе, а вероятность открытия поры снижается.
Авторы работали с митохондриями печени крыс. Это стандартная модель: она хорошо изучена, и новые данные можно напрямую сопоставлять с результатами, полученными ранее другими группами.
Интересно, что сохранение защитного эффекта в присутствии бонгрековой кислоты и карбоксиатрактилозида противоречит традиционной модели, основанной на фиксации ANT в определенной конформации. Ведущий научный сотрудник лаборатории тканевой инженерии ИТЭБ РАН кандидат биологических наук Алексей Круглов прокомментировал исследование: «Бонгрековая кислота — квазибесконкурентный и практически необратимый ингибитор — стабилизирует ANT в защитной m-конформации. Сильнее защитить митохондрии по этому механизму уже невозможно. Поэтому, если адениновые нуклеотиды действуют и на её фоне, их эффект реализуется в обход ANT. Карбоксиатрактилозид — мощнейший неконкурентный ингибитор — напротив, переводит ANT в с-конформацию, которая облегчает открывание поры с участием транслоказы. И здесь та же логика: если защитный эффект АТФ и АДФ сохраняется, значит, адениновые нуклеотиды действуют через другой сайт».
Результаты позволяют заключить, что два взаимосвязанных процесса — удержание канала mPTP в закрытом состоянии и связывание Са2+ в матриксе — могут разнонаправленно регулироваться рН матрикса. По-видимому, это служит дополнительной защитой митохондрий при кратковременном снижении рН в цикле входа Са2+ и фосфата.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России, соглашение № 075-00224-26-02.
Источник: ИТЭБ РАН.
