Митохондрии, апоптоз и афк

Одним из результатов повреждающего действия окислительного стрес¬са 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 осуществля¬ют фрагментацию ДНК и конденсацию хроматина. Клетка распадается на апоптотические тельца, имеющие на поверхности маркеры для узнавания фа¬гоцитами (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 связы¬вают дефекты программированной клеточной смерти опухолевых клеток.

Выделяют два основных пути, по которым происходит индукция апоптоза. Первый путь называют путем «рецепторов смерти» или рецептор¬ным путем. Он начинается от рецепторов, расположенных на поверхности плазматической мембраны клетки и главным образом воспринимает инфор¬мацию 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 цито¬плазме. 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 митохон¬дрии клетки приводит к существенным изменениям состояния самой мито¬хондрии: наблюдается отекание митохондриального матрикса, поры внут¬ренней мембраны широко раскрываются, приводя к окислительно-восстано¬вительному 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» про¬ницаемость их пор, стимулирует диффузию раство¬ренных 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 способст¬вуют ее деструкции и выходу в цитозоль вышеука-занных проапоптозных факторов (рис. 3 слайд), последую¬щей 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 мито¬хондриальными 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 арсена¬ле 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, кото¬рый называют онкосупрессором. Этот белок обеспечивает синтез генов, участвующих в репарации ДНК, а также процессах вступления в апоптоз. Та¬ким образом, белок p53 стимулирует вступление клетки в апоптоз, что пре¬пятствует 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 ксенобиоти¬ков). Подобный оптимальный «тонус» функциониро¬вания защитных систем создает условия для длитель¬ного стационарного режима жизнедеятельности клет¬ки (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 ингибиру¬ет 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 мо¬жет не увеличить разрушительное действие активных форм кислорода, которое в конце концов выразится в развитии апоптоза. Далее, неспецифический цитолиз первичных апоптотических клеток, вызовет «цепную» кластеризацию апопто¬тических клеток, что, несомненно, должно привести к снижению массы и функции органов и тканей, сте¬пень которого будет зависеть как от степени актива¬ции р53, так и от общего антиокислительного потен¬циала в том или ином органе или ткани, т.е. от стиму¬лированного 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 ши¬роко изучен белок Bcl-2. Он действует на уровне возникновения митохон¬дриального сигнального пути и способствует восстановлению ионного по¬тенциала 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 анио¬нов 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 унич¬тожаются, однако темпы репарации от¬стают от темпов появления нарушений, и в ходе онтогентического развития в орга¬низме накапливаются поврежденные мо¬лекулы.

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.