Основу жизнедеятельности клетки составляет ее энергетика, определяющая нормальное протекание энергопродуцирующих и энергопотребляющих процессов и, соответственно, все остальные клеточные функции. Основным клеточным энергетическим субстратом является аденозинтрифосфат (АТФ), в распределении которого можно выделить два пула — митохондриальный и цитоплазматический [1, 2]. Митохондриальный пул формируется в митохондриях — основных органеллах эукариотических клеток, обеспечивающих аэробную продукцию энергии в ходе клеточного дыхания. Они имеют двойную мембрану, ограничивающую внутримембранное пространство и матрикс [1]. В митохондриальном матриксе происходит первоначальная деградация энергетических субстратов, которые впоследствии подвергаются окислению в электронтранспортной цепи (ЭТЦ), или дыхательной цепи переноса электронов. Цитоплазматический пул АТФ имеет как гликолитическое, так и митохондриальное происхождение [1, 2].

ЭТЦ представляет собой систему белков, расположенных во внутренней мембране митохондрий и осуществляющих ступенчатый транспорт электронов с созданием трансмембранного электрохимического градиента. Энергия этого градиента преобразуется в энергию химических связей АТФ при помощи мембранного белка АТФ-синтазы. ЭТЦ включает в себя четыре оксидоредуктазы, традиционно называемые комплексами и нумеруемыми от I до IV, а также мобильный переносчик электронов убихинон, или коэнзим Q (CoQ) [1]. Благодаря близкому расположению и тесной функциональной взаимосвязи с белками ЭТЦ, АТФ-синтазу нередко называют комплексом V. Сопряженное функционирование ЭТЦ и АТФ-синтазы, наблюдаемое в нормальных условиях, носит название окислительного фосфорилирования [1]. Цикл окислительного фосфорилирования схематично изображен на рис. 1.

Рис. 1. Окислительное фосфорилирование.

in — митохондриальный матрикс; out — межмембранное пространство; SH₂, — субстрат* восстановленный; S — субстрат* окисленный; NADH — никотинамидадениндинуклеотид (NAD) восстановленный; NAD⁺ — NAD окисленный; FMNH₂ — флавинмононуклеотид (FMN) восстановленный; FMN — FMN окисленный; N1_a, N3, N1_b, N4, N5, N6_a, N6_b, N2 — железосерные кластеры; Suc — сукцинат; Fum — фумарат; Q — убихинон; [QH] — семихинон; QH₂ — убихинол; FADH₂ — флавинадениндинуклеотид (FAD) восстановленный; FAD — FAD окисленный; Cyt — цитохромы; Rieske — железосерный белок Риске; ADP — аденозиндифосфат; P_i — фосфат неорганический; ATP — аденозинтрифосфат; K_O/P — коэффициент окислительного фосфорилирования. *изоцитрат, α-кетоглутарат или малат.

Движение восстановительных эквивалентов по ЭТЦ осуществляется благодаря градиенту окислительно-восстановительных потенциалов. Для этого комплексы I—IV расположены таким образом, что их стандартные окислительно-восстановительные потенциалы становятся все более положительными по мере приближения к месту взаимодействия с конечным акцептором электронов — кислородом. При этом каждое звено цепи достаточно специфично в отношении доноров и акцепторов электронов [1].

На первом этапе митохондриального дыхания комплексы I и II катализируют восстановление соответственно никотинамидных (NADH) и флавиновых (FADH₂) адениндинуклеотидов. При окислении таких субстратов, как α-гидроксикислоты (малат, изоцитрат) и 3-гидроксибутират, электроны переносятся на NAD⁺ с образованием NADH, в дальнейшем окисляющегося NADH:CoQ-оксидоредуктазой (комплекс I). Дополнительным источником NADH в митохондриальном матриксе является малат-аспартатный челночный механизм [1, 2].

В том случае если субстратом служат сукцинат, электроны переносятся на флавиновую простетическую группу сукцинат: CoQ-оксидоредуктазы (комплекс II; сукцинатдегидрогеназа, СДГ) с образованием FADH₂. Реакция окисления сукцината до фумарата одновременно является 6-й стадией цикла трикарбоновых кислот (ЦТК), протекающего в митохондриальном матриксе. В том случае когда NADH принимает участие в восстановлении дигидроксиацетонфосфата до глицерол-3-фосфата, последний может также передавать электроны в ЭТЦ, подвергаясь обратному окислению мембранной глицерол-3-фосфатдегидрогеназой. Поскольку глицерол-3-фосфатдегидрогеназа, как и СДГ, содержит в своем составе FAD, глицеролфосфатный челночный механизм транспорта NADH менее выгоден для клетки с энергетической точки зрения [1, 2].

Дальнейший перенос восстановительных эквивалентов между митохондриальными комплексами осуществляется при помощи CoQ, обеспечивающего связь I и II комплексов с комплексом III, и цитохрома C, осуществляющего взаимодействие между III и IV комплексом. Наконец, комплекс IV (цитохром C:CoQ-оксидоредуктаза) катализирует реакцию восстановления молекулы кислорода до двух молекул воды [1]. Перенос электронов через комплексы I, III и IV сопровождается созданием трансмембранного протонного градиента, энергия которого используется АТФ-синтазой для генерации АТФ. Синтезированный АТФ может быть использован как в самих митохондриях, так и в цитоплазме, куда он переносится в обмен на аденозиндифосфат (АДФ) при участии адениннуклеотидтранслоказы. Образующаяся при этом энергия может быть использована как для поддержания мембранного потенциала, так и для дальнейшего синтеза АТФ [1].

В условиях нормоксии полное окисление одной молекулы глюкозы приводит к образованию 10 молекул NADH и 2 молекул FADH₂. Поэтому большинство электронов обычно попадает в ЭТЦ через комплекс I: вклад этого пути в интактных клетках, оцениваемый по потреблению кислорода, может составлять 55—65%. Тем не менее 25—30% митохондриального дыхания в нормальных условиях опосредовано работой комплекса II [2] и окислением сукцината, содержание которого в матриксе митохондрий невелико (0,2—0,4 мМ) [3].

Гипоксия

Гипоксия представляет собой типовой патологический процесс, характеризующийся недостаточным снабжением тканей организма кислородом и/или нарушением его утилизации клетками. Вне зависимости от причин и условий ее развития гипоксия приводит к нарушению процессов биологического окисления и энергетического обмена [2]. Кислородный дефицит является неблагоприятным условием для протекания реакций аэробного гликолиза, окислительного декарбоксилирования пирувата, ЦТК и окислительного фосфорилирования. В связи с этим неизбежными следствиями гипоксии являются развитие энергетического дефицита, сдвиг клеточного метаболизма в сторону катаболических реакций, истощение запасов гликогена и активация реакций протеолиза [1, 2]. Преобладание анаэробного гликолиза приводит к накоплению избыточных количеств лактата с развитием ацидоза. Уменьшение продукции пирувата и, как следствие, ацетил-коэнзима А (ацетил-КоА) препятствует нормальному протеканию ключевых стадий ЦТК, процессов посттрансляционного ацетилирования белков, синтеза холестерола и других стероидов, высших жирных кислот, ацетилхолина, мелатонина и других биологически активных соединений [1].

Резкое снижение продукции АТФ сопровождается дисфункцией Na⁺/K⁺-АТФ-азы и нарушением процесса формирования мембранных потенциалов, а также повреждением элементов цитоскелета и транспортных систем клетки [4]. Увеличение цитоплазматического pH приводит к повышению проницаемости мембран лизосом и разрушению клеточных структур под действием лизосомальных гидролаз. Важнейшим звеном патогенеза гипоксии являются активация процессов перекисного окисления липидов, увеличение продукции активных форм кислорода (АФК) и развитие оксидативного стресса [2].

В зависимости от того, на каком уровне возникают нарушения, приводящие к кислородному голоданию, гипоксию можно разделить на три основных вида. Гипоксическая (гипоксемическая) гипоксия возникает в том случае, когда кровоснабжение ткани не нарушено, однако вследствие тех или иных причин концентрация кислорода в поступающей крови снижена. Такое состояние называется гипоксемией, а критериями его наличия считаются парциальное давление кислорода в артериальной крови менее 60 мм рт. ст. и сатурация ниже 90% [5]. Напротив, ишемическая гипоксия развивается вследствие уменьшения кровоснабжения ткани, т.е. ее ишемии, при этом газовый состав крови может находиться в норме [6]. Тканевая (гистотоксическая) гипоксия наблюдается при нарушении утилизации кислорода тканью, что может быть следствием изменения физико-химических параметров (pH, электролитного состава внутренних сред и др.), нарушения синтеза ферментов и/или снижения их активности, а также разобщения процессов окисления и фосфорилирования [7].

Следует отметить, что гипоксия не всегда носит патологический характер. Так, физиологическая гипоксия наблюдается при физических нагрузках, при этом метаболические изменения в тканях имеют преходящий характер и могут быть быстро компенсированы в восстановительном периоде [8]. В то же время патологическая гипоксия сопровождает и осложняет течение чрезвычайно широкого ряда заболеваний. Острое развитие гипоксии характерно для всех видов шока, коллапса [9], острой сердечной [10] и дыхательной недостаточности [11], острых нарушений мозгового кровообращения [12]. Хроническая гипоксия играет важную роль в развитии и течении атеросклероза [13], ишемической болезни сердца [14], хронической сердечной [15] и почечной недостаточности [16], цереброваскулярных нарушений [12] и хронической обструктивной болезни легких [15].

Как острая, так и хроническая гипоксия приводит к запуску адаптационных процессов в организме. Адаптация к гипоксии — это эволюционно сформировавшаяся реакция организма, направленная на поддержание жизнедеятельности в условиях дефицита кислорода. Она контролируется как центральными, так и межклеточными и внутриклеточными регуляторными механизмами, необходимыми для поддержания уровня кислорода в клетках, продукции энергии и протекания энергозависимых процессов. При этом различают две стадии формирования механизмов адаптации: 1) фаза индукции адаптации; 2) фаза формирования геномзависимых реакций долгосрочной адаптации [2].

Фаза индукции адаптации — это период срочного генерализованного ответа на любое гипоксическое воздействие, в результате которого происходит одномоментная активация различных сигнальных регуляторных систем и увеличивается срочная толерантность (резистентность) организма к гипоксии, которая в посгипоксический период сравнительно быстро возвращается к исходному уровню. Срочный этап адаптационной реакции возникает непосредственно после начала действия раздражителя и может реализоваться лишь на основе готовых, ранее сформировавшихся физиологических механизмов. К срочным адаптационным реакциям на молекулярно-клеточном уровне относят активацию различных сигнальных путей (кальциевого [17], инозитолфосфатного [18]) и медиаторных систем (холин- [19], аденозин- [20], глутаматергической [21]), а также индукцию биосинтеза и накопление ряда специфических транскрипционных факторов. Клинически компенсация острой гипоксии проявляется активацией симпатоадреналовой системы, гипер- и тахипноэ, тахикардией, увеличением сердечного выброса, вазодилатацией и увеличением выброса крови из депо [22].

Отсроченная, или долгосрочная, адаптация формируется при длительном или многократном гипоксическом воздействии на организм и характеризуется переходом на новый уровень регуляции кислородного гомеостаза в результате постепенного количественного накопления изменений в организме [2]. Хроническая гипоксия приводит к ряду характерных структурных и функциональных изменений на всех уровнях организации. Под влиянием транскрипционных факторов увеличивается экспрессия ряда ферментов, мембранных транспортеров, регуляторов жизненного цикла митохондрий и других биомолекул [23]. В клетках наблюдается увеличение числа митохондрий, их крист и содержания в них ферментов, что направлено на повышение эффективности биологического окисления [24]. Под действием циркулирующих факторов роста происходят разрастание капиллярной сети, коллатерализация кровообращения и повышение проницаемости сосудов [25]; в миокардиоцитах и медленных мышечных волокнах увеличивается экспрессия миоглобина [17]. Наблюдаются ремоделирование и гипертрофия сосудистых стенок, миокарда и почечных клубочков, что связано с активацией биосинтеза белка и клеточной пролиферации под действием транскрипционных факторов [26, 27].

Нарушение доставки кислорода в клетку при гипоксии и уменьшение продукции энергии, приводящее к уменьшению уровня внутриклеточного АТФ ниже физиологической нормы и сопряженному подавлению энергозависимых процессов, лежат в основе мультисистемности и полиорганности функционально-метаболических нарушений, ассоциированных с гипоксией. Признаки угнетения наиболее значимых энергозависимых функционально-метаболических процессов появляются при снижении внутриклеточного содержания АТФ на 10—20%, а при падении уровня АТФ на 30% наблюдается их полное подавление. Все это имеет принципиальное значение для жизнедеятельности клетки в условиях дефицита кислорода и определяет исключительную важность проблемы адаптации аэробного энергетического обмена и организма в целом к гипоксии [2].

Процесс адаптации к гипоксии играет особенно важную роль в развитии и течении такой группы заболеваний, как злокачественные опухоли. На ранних стадиях дефицит кислорода ограничивает рост опухоли, однако со временем он приводит к повышению жизнеспособности ее клеток и скорости их пролиферации, а также индукции неоангиогенеза [28]. В свою очередь, интенсивная васкуляризация и ангиогенез способствуют быстрому разрастанию опухоли, ее инвазии и метастазированию. Немалое значение имеют индукция ингибиторов апоптоза [29] и репрессия проапоптотических факторов, а также деметилирование ДНК [30]. Наличие внутриопухолевой гипоксии признано неблагоприятным прогностическим фактором при многих онкологических заболеваниях [28].

Изменение активности комплексов I и II ЭТЦ при гипоксии

Кислородный дефицит означает для ЭТЦ нехватку как доноров, так и конечного акцептора электронов. Преобладание анаэробного гликолиза и снижение продукции пирувата приводят к ингибированию всех стадий ЦТК, в том числе обеспечивающих субстратами комплексы I и II (окисление сукцината до фумарата и реакции, сопровождающиеся восстановлением NAD) [31]. Дефицит акцептора электронов приводит к их утечке по пути следования к терминальному комплексу ЭТЦ, что сопровождается неполным восстановлением кислорода и образованием его активных форм.

Изменение активности комплексов I и II ЭТЦ является одним из основных молекулярных механизмов развития гипоксии, а также играет важную роль в формировании клеточного ответа на нее [31]. Эти комплексы поставляют электроны в цикл убихинона относительно независимо друг от друга, однако для эффективного протекания окислительного фосфорилирования и поддержания энергетического баланса в клетке необходима нормальная деятельность их обоих. Функционируя параллельно, они представляют собой первое звено ЭТЦ, и их блокада при гипоксии приводит к нарушению работы всех остальных ее звеньев [1]. Наиболее ранней ответной реакцией на снижение концентрации кислорода в окружающей среде являются изменения активности митохондриальных ферментов не на терминальном, а на субстратном участке дыхательной цепи, т.е. репрограммирование работы ЭТЦ (рис. 2) [2]. Происходят обратимое подавление электронтранспортной функции комплекса I и компенсаторная активация комплекса II. При этом резко возрастают как содержание сукцината в крови и тканях [3, 32], так и вклад сукцинатоксидазного окисления в общее дыхание, который может достигать 70—80% [2].

Рис. 2. Репрограммирование работы электронтранспортной цепи при гипоксии.

A — высокая активность комплекса I и низкая активность комплекса II при нормоксии; B — угнетение активности комплекса I и активация комплекса II при гипоксии. TAC — цикл трикарбоновых кислот; NADH — никотинамидадениндинуклеотид восстановленный; Suc — сукцинат; CI, CII, CIII, CIV — комплексы электронтранспортной цепи I, II, III, IV; P_i — фосфат неорганический; ADP — аденозиндифосфат; ATP — аденозинтрифосфат (АТФ); ATPS — АТФ-синтаза; ΔΨ — изменение митохондриального мембранного потенциала (адаптировано из [34]).

Существуют основания предполагать, что в процессе адаптации к хронической гипоксии изменение активности комплексов I и II может носить иной характер. S. Ali и соавт. [33] исследовали мушек-дрозофил, в процессе селекции приобретших чрезвычайно высокую устойчивость к гипоксии и способных неограниченно долго выживать в атмосфере, содержащей всего 4% кислорода [33]. Результаты их исследования показали, что активность комплексов I—IV у таких мушек была существенно изменена и составляла 107, 65, 120 и 115% от нормальных значений соответственно. Эти данные позволили заключить, что в процессе долгосрочной адаптации к гипоксии происходит сдвиг в сторону преимущественного использования комплекса I, в то время как комплекс II играет существенно меньшую энергетическую роль [33, 34].

Изменение активности комплекса I

Комплекс I ЭТЦ представляет собой мультисубъединичный белок характерной L-образной формы, имеющий систематическое название NADH:CoQ-оксидоредуктаза. При помощи этого комплекса осуществляется перенос электронов с молекул NADH, образующегося в ходе ЦТК, а также поступающего из цитоплазмы клетки, на CoQ [1].

Основными причинами снижения активности комплекса I при гипоксии считаются нехватка NADH и диссоциация флавиновой простетической группы NADH-дегидрогеназной субъединицы. В условиях дефицита кислорода CoQ преимущественно находится в восстановленной форме, что делает невозможной передачу электронов от флавиновой простетической группы и приводит к разрушению ее связи с белком [35].

Другими известными механизмами, направленными на подавление активности комплекса I при гипоксии, являются его посттрансляционная модификация [36, 37] и репрессия соответствующих митохондриальных генов [38]. N. Riobó и соавт. [36] предположили, что наиболее вероятным механизмом необратимого ингибирования комплекса I оксидом азота (NO) явяется нитрование по остаткам тирозина. Позднее M. Frost и соавт. [37] показали, что эндогенный NO, продуцируемый макрофагами, способен нитрозилировать комплекс I по остаткам цистеина. На уровне транскрипции клеточное дыхание в условиях гипоксии подавляют индуцибельные микроРНК, уменьшающие экспресиию комплекса I и фермента ЦТК аконитазы [38].

Важнейшим следствием блокады комплекса I является увеличение продукции АФК [2]. Экспериментальные данные свидетельствуют, что основной причиной этого является инактивация сайтов связывания CoQ, непосредственно прилежащих к железосерному кластеру N2. Осуществляя в норме одноэлектронное восстановление кислорода, в условиях гипоксии эти структуры становятся основными источниками АФК [39].

Митохондриальные АФК также выполняют роль сигнальных молекул и участвуют в реализации клеточного ответа на гипоксию на транскрипционном и посттрансляционном уровнях [31, 40]. Супероксид-анион (O₂^-) является основной клеточной АФК и продуцируется при окислении NADH, а также неспецифическом взаимодействии кислорода с флавиновыми, железосерными и гемовыми простетическими группами оксидоредуктаз [31]. Доказано влияние супероксид-аниона на процесс репликации ДНК путем нарушения функции ДНК-праймазы, содержащей железосерный кластер [40]. Пероксид водорода (H₂O₂), другая распространенная АФК, окисляет тиольные группы остатков цистеина с формированием дисульфидных мостиков, что существенно изменяет структуру и функции различных белков [31]. Глубокое окисление тиольных групп, входящих в состав фосфатаз, может вызывать их длительное и даже постоянное ингибирование, что приводит к дисрегуляции активности огромного множества белков и существенно нарушает жизнедеятельность клетки [31].

Транскрипционный фактор, индуцируемый гипоксией (HIF)

Важнейшее значение для развития клеточного ответа на гипоксию имеет транскрипционный фактор, индуцируемый гипоксией (HIF) —гетеродимерный белок, содержащий две субъединицы [23]. В то время как β-субъединица является конститутивной, α-субъединица в нормоксических условиях подвергается постоянному убиквитинзависимому протеолизу. Этот процесс осуществляется при участии фермента HIF-пролилгидроксилазы (PHD), маркирующей остатки пролина для распознавания убиквитином [23].

Изоформа HIF-1α наиболее активна при острой, кратковременной (2—24 ч) выраженной (менее 0,1% О₂) гипоксии или аноксии, в то время как HIF-2α опосредует адаптацию к умеренной (менее 5% О₂) хронической гипоксии [41]. HIF-3α имеет мало общего с двумя другими изоформами и в процессе адаптации к гипоксии играет роль отрицательного регулятора активности HIF-1α и HIF-2α [42]. В эксперименте на крысах угнетение экспрессии HIF-3α способствовало увеличению напряжения кислорода в тканях и общей физической работоспособности. Полное выключение гена, кодирующего HIF-3α, приводило к разобщению процессов окисления и фосфорилирования с выраженным преобладанием последнего [42].

В физиологических концентрациях HIF-2α играет важную роль в эмбриональном развитии сердечно-сосудистой системы и процессах васкуляризации и ангиогенеза, а при гипоксии плода способствует увеличению концентраций циркулирующих катехоламинов и активации сердечной деятельности [43]. Мыши, имевшие мутации гена HIF-1α, развивались без отклонений, однако хуже адаптировались к хронической гипоксии, у них обнаруживали сниженное число эритроцитов, гипертрофию правого желудочка миокарда и легочную гипертензию на фоне ремоделирования легочных сосудов [44].

N. Chandel и соавт. [45] показали, что избыток АФК при гипоксии ингибирует PDH, тем самым препятствуя расщеплению α-субъединицы HIF-1. N. Masson и соавт. [46] полагают, что определенную роль в этом может играть также ингибирование другого «маркирующего» фермента аспарагинилгидроксилазы. Стабилизация и накопление HIF-1 приводят к активации транскрипции некоторых белков, способствующих выживанию клетки в условиях кислородного голодания. К ним относятся гликолитические ферменты (альдолаза, пируваткиназа, лактатдегидрогеназа и др.) [47], мембранные транспортеры глюкозы и лактата, регуляторы биогенеза (PPARGC1A) и аутофагии митохондрий (BNIP3) [23], эритропоэтин [48], фактор роста эндотелия сосудов VEGF и др. [49].

HIF-1α индуцирует биосинтез киназы пируватдегидрогеназы-1, которая путем фосфорилирования ингибирует пируватдегидрогеназу и тем самым препятствует поступлению CoA в ЦТК. Это приводит к уменьшению потребления кислорода митохондриями и поддержанию его внутриклеточного уровня [50]. Когда острая гипоксия сменяется хронической, экспрессия HIF-1α постепенно уменьшается и активность пируватдегидрогеназы восстанавливается. Благодаря этому регулярные тренировки позволяют снизить продукцию лактата в скелетных мышцах и повысить их устойчивость к нагрузкам [51]. Кроме этого, HIF-1α на уровне транскрипции запускает перестройку цитохром С-оксидазы, в результате чего расход кислорода и генерация АФК уменьшаются, а продукция АТФ увеличивается [52].

Одним из эффектов HIF-1α является дальнейшее угнетение активности комплекса I, направленное на снижение потребления кислорода. D. Tello и соавт. [38], исследуя поведение клеток линии HeLa в условиях умеренной гипоксии, показали, что HIF-1α индуцирует экспресию NDUFA4L2 — специфического ингибитора комплекса I. Предположительно, действие этого белка направлено главным образом на снижение продукции АФК и стабилизацию мембранного потенциала покоя.

Для эффективного приспособления клеток к гипоксии и поддержания их жизнеспособности необходима сбалансированная работа HIF-1α и HIF-2α [41]. Частичный дефицит HIF-1α приводит к повышению уровней HIF-2α и супероксиддисмутазы, понижению клеточного редокс-статуса, уменьшению чувствительности каротидных телец и нарушению вентиляторного ответа на гипоксию. Дефицит HIF-2α вызывает активацию дегидрогеназы никотинамидадениндинуклеотидфосфата (NADPH) и противоположным образом отражается на деятельности каротидных телец [41].

Изменение активности комплекса II

Комплекс II, или сукцинатдегидрогеназа (СДГ, сукцинат: CoQ-оксидоредуктаза), одновременно принимает участие в работе ЦТК и ЭТЦ. Недавние исследования показали, что СДГ, как правило, не входит в супрамолекулярные комплексы-респирасомы, образуемые комплексами I, III и IV, и находится на митохондриальной мембране в свободном виде [53]. СДГ особенно важна для нормального протекания биологического окисления, так как она осуществляет непосредственное сопряжение ЦТК и ЭТЦ, катализируя окисление сукцината до фумарата с одновременным восстановлением убихинона до убихинола. Этот комплекс ЭТЦ не участвует в создании мембранного электрохимического градиента и функционирует только как переносчик электронов [1].

При гипоксии происходят интенсивное расщепление пуриновых нуклеотидов и частичная инверсия малат-аспартатного челночного механизма, сопровождающиеся образованием избыточных количеств фумарата [54]. Это приводит к изменению направления реакции, катализируемой СДГ, т.е. превращению фумарата в сукцинат. В период реперфузии сукцинат быстро окисляется обратно до фумарата, при этом поступление электронов в ЭТЦ через комплекс II значительно превышает таковое через комплекс I. Такой дисбаланс приводит к возникновению феномена, получившего название обратного электронного транспорта [55]. Его сущность заключается в переносе электронов по ЭТЦ в обратном направлении, т.е. против градиента окислительно-восстановительных потенциалов. Комплекс I принимает электроны от убихинола и восстанавливает NAD⁺ до NADH, что не только является энергозатратным процессом, но и сопровождается резким увеличением продукции АФК и дальнейшей дестабилизацией клеточного дыхания [54, 55].

Комплекс II способен к самостоятельной генерации АФК при участии флавиновой простетической группы. При этом свободные радикалы образуются при передаче электронов как от сукцината на убихинон, так и в обратном направлении [56]. Тем не менее, по оценке исследователей, бóльшую часть АФК при гипоксии продуцирует комплекс I, в то время как СДГ играет практически незначительную роль [57].

Экспериментально показано, что активность комплекса II при гипоксии снижается медленнее и в меньшей степени, нежели комплекса I. Это объясняется тем, что входящий в состав СДГ в качестве простетической группы ФАД в отличие от ФМН комплекса I в условиях умеренного дефицита кислорода не диссоциирует и продолжает выполнять свою электронтранспортную функцию [58]. Временная, обратимая активация СДГ при гипоксии является экстренной компенсаторной реакцией, направленной на поддержание функционирования ЭТЦ в условиях блокады комплекса I. Она обеспечивает быструю энергопродукцию с целью немедленной компенсации происходящих изменений, а также стабилизацию транскрипционного фактора HIF (подробно о нем см. выше) и запуск процессов долговременной адаптации к гипоксии [34].

Комплекс II играет незначительную роль в процессе адаптации к хронической гипоксии. Предполагается, что со временем происходит синтез новых изоформ NADH-дегидрогеназы с улучшенными фармакокинетическими свойствами и высокой эффективностью. При этом поддержание высокой активности СДГ становится нецелесообразным, так как создает конкуренцию за акцептор электронов [34]. Основные процессы, обеспечивающие репрограммирование активности ЭТЦ в условиях гипоксии, а также изменения в меж- и внутриклеточных взаимодействиях, опосредованные сукцинатом, схематично изображены на рис. 3.

Рис. 3. Митохондриальный сигналинг при адаптации к гипоксии.

TAC — цикл трикарбоновых кислот; NADH — никотинамидадениндинуклеотид восстановленный; Suc — сукцинат; CI, CII, CIII, CIV — комплексы электронтранспортной цепи I, II, III, IV; P_i — фосфат неорганический; ADP — аденозиндифосфат; ATP — аденозинтрифосфат (АТФ); ATPS — АТФ-синтаза; ΔΨ — изменение митохондриального мембранного потенциала; HIF-1α — транскрипционный фактор, индуцированный гипоксией (HIF) 1α; PHD — HIF-пролилгидроксилаза; GPR1 — G-белоксопряженный рецептор 91; PIP2 — фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат; PLC — фосфолипаза C; IP3 — инозитол-1,4,5-трифосфат; DAG — диацилглицерол; PKC — протеинкиназа C; pERK1/2 — киназа, регулируемая внеклеточным сигналом, 1/2 фосфорилированная (адаптировано из [34]).

Заключение

Очевидно, что репрограммирование работы митохондриальной электронтранспортной цепи на стадии инициации срочных компенсаторных реакций адаптации к гипоксии является важнейшим регуляторным механизмом, благодаря которому достигаются: 1) более эффективный сукцинатзависимый синтез энергии в условиях быстро нарастающей кислородной недостаточности; 2) сукцинатзависимая стабилизация фактора HIF-1α и последующая инициация его транскрипционной активности; 3) сукцинатзависимое формирование срочной резистентности организма к гипоксии.

Таким образом, роль янтарной кислоты в энергетическом обмене в целом и в процессе адаптации к гипоксии в частности не ограничивается участием в реакциях цикла трикарбоновых кислот, но включает осуществление внутриклеточной передачи сигнала. В связи с этим при исследовании метаболических и энерготропных эффектов сукцината необходимо также учитывать его сигнальную и регуляторную функции.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.