Xreferat.com » Рефераты по биологии и химии » Полезная роль «вредных» активных форм кислорода

Полезная роль «вредных» активных форм кислорода

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Лейла Мамирова

Активные формы кислорода (АФК), такие как супероксид-анион, считаются очень вредными, поскольку они повреждают белки, липиды и ДНК, приводя к старению клеток. АФК образуются как побочный продукт клеточного дыхания, которое происходит в митохондриях. Однак

Активные формы кислорода (АФК), такие как супероксид-анион, считаются очень вредными, поскольку они повреждают белки, липиды и ДНК, приводя к старению клеток. АФК образуются как побочный продукт клеточного дыхания, которое происходит в митохондриях. Однако недавно ученые из Испании обнаружили, что АФК внутри клетки выполняют важную компенсаторную сигнальную функцию: они активируют синтез митохондриальной ДНК и регулируют таким образом дыхательную активность клетки.

Митохондрии — это органеллы, имеющие свой собственный геном и осуществляющие клеточное дыхание (окислительное фосфорилирование), в процессе которого клетки запасают энергию в аденозин-трифосфорной кислоте (АТФ). Несмотря на маленький размер митохондриального генома — всего около 16 500 пар нуклеотидов, 37 генов, 13 их которых кодируют субъединицы белковых комплексов дыхательной цепи, — мутации в нем ассоциированы с такими важными процессами, как старение, комплексные болезни человека (нейродегенеративные и мышечные), а также адаптация к холодным климатическим условиям.

Однако клеточные культуры, несущие различные мутации в митохондриальной ДНК (мтДНК), не проявляют отклонений и характеризуются примерно одинаковым со здоровыми культурами уровнем клеточного дыхания и роста, что ставит под сомнение связь этих мутаций с болезнями на уровне целого организма.

Чтобы разрешить этот парадокс, испанские биохимики из Сарагосы и Мадрида, авторы недавней статьи в журнале Nature genetics, изучили активность дыхания клеточных линий, обладающих одним и тем же ядерным геномом, но различающихся митохондриальными геномами. Эти клеточные линии были получены путем образования клеточных гибридов — слиянием безъядерной клетки (но с митохондриями) с безмитохондриальной (но с ядром).

Всего из клеток мышей было сконструировано пять линий: три с нормальной мтДНК — от мышей, которые не имеют каких-либо фенотипических отклонений (1, 2, 3 — здоровые), и две линии с мутантной мтДНК — от мышей, которые характеризуются ослаблением слуха с возрастом или низкой способностью к обучению (4, 5 — больные). Различия между линиями заключались лишь в нескольких мутациях в мтДНК, одна из которых была характерна именно для больных линий.

Испанские ученые измерили уровень клеточного дыхания здоровых и больных клеток. Выяснилось, что в отсутствие глюкозы, на питательной среде с галактозой, уровень клеточного дыхания у клеток больных линий был ниже, и они росли медленнее, чем здоровые. На глюкозной питательной среде, где у больных клеток была возможность компенсировать недостаток АТФ за счет гликолиза, различий в скорости роста не наблюдалось.

При этом оказалось, что в больных клетках повышена концентрация активных форм кислорода и их важного источника — перекиси водорода (Н2О2). На этом особенности больных линий 4 и 5 не закончились — выяснилось, что количество митохондриальной ДНК у них также заметно (на 60–90%) выше.

Итак, больные линии (I) хуже растут на галактозной среде (то есть у них понижена дыхательная активность), (II) имеют большую концентрацию активных форм кислорода и (III) имеют больше митохондриальной ДНК на клетку. Авторы предположили, что дыхательная способность на одну молекулу мтДНК в больных клетках ниже, чем в здоровых, однако повышенная концентрация АФК индуцирует репликацию мтДНК, что увеличивает в больных клетках количество молекул мтДНК и отчасти компенсирует проблемы с клеточным дыханием, позволяя поддерживать его на относительно нормальном уровне.

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые добавили в питательную среду антиоксиданты, нейтрализующие Н2О2 и супероксид-анион. Однонедельная инкубация с антиоксидантами на среде с глюкозой не повлияла на уровень потребления кислорода линиями 1, 2 и 3, а вот дыхательная способность и количество митохондриальной ДНК у линий 4 и 5 значительно снизились. Видимо, антиоксиданты элиминировали в больных линиях избыток АФК, что повлекло за собой снижение числа копий мтДНК и дыхательной способности всей клетки.

Когда эксперимент был повторен на галактозной среде, антиоксиданты привели к снижению роста всех линий — и больных, и здоровых, из чего авторы сделали вывод, что АФК могут участвовать в переключении метаболизма с глюкозного на галактозный.

И действительно, оказалось, что в ответ на смену глюкозной среды на галактозную в клетках линий 1, 2 и 3 наблюдался взрыв в выработке АФК — что в свою очередь приводило к увеличению количества митохондриальной ДНК и, соответственно, к повышению уровня клеточного дыхания. Таким образом, здоровым клеткам удавалось быстро компенсировать недостаток АТФ, возникавший из-за прекращения гликолиза. В клетках линий 4 и 5 выработка АФК оставалась на прежнем уровне — по-видимому, из-за того, что в них и так уже наблюдался избыток активных форм кислорода.

Таким образом, АФК играют ключевую роль в одном из ранее неизвестных внутриклеточных компенсаторных механизмов. Когда выработка АТФ в клетке становится недостаточной (в силу мутации или из-за перехода от глюкозного питания к галактозному), увеличивается выработка активных форм кислорода, которые в свою очередь стимулируют увеличение числа копий мтДНК и, как следствие, число ферментов дыхательной цепи.

Так что наряду с вредными функциями АФК (повреждение белков, липидов и ДНК) новые исследования всё больше обнаруживают и их полезные функции — такие как активация разобщающих белков (uncoupling proteins), регулирующая продукцию АТФ, и передача сигналов роста через тирозин-киназы. Теперь обнаружена еще одна роль АФК — компенсаторная регуляция активности клеточной дыхательной цепи через активацию репликации митохондриальной ДНК.

Правда, остается открытым вопрос о том, можно ли данную модель функциональной регуляции митохондрий с участием АФК приложить и к различным вариантам мтДНК человека. Если эта модель будет экспериментально подтверждена для человека, то лечение митохондриальных нейродегенеративных болезней с помощью антиоксидантов, может оказаться бесполезным или даже вредным, поскольку будет нивелировать адаптивную компенсаторную роль АФК.

Список литературы

1) R. Moreno-Loshuertos et al. 2006 Differences in reactive oxygen species production explain the phenotypes associated with common mouse mitochondrial DNA variants // Nature genetics 38, 11, 1261-1268.

2) Joshua M. Baughman, Vamsi K. Mootha. 2006. Buffering mitochondrial DNA variation // Nature genetics 38, 11, 1232-1233.

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Похожие рефераты: