Введение к работе
Актуальность проблемы.
В настоящее время показано, что начальный участок электрон-транспортной цепи — NADH дегидрогеназа (комплекс І) в митохондриях включает характерный сайт, связывающий ксенобиотики. Этот сайт с высокой эффективностью взаимодействует с бифильными молекулами, содержащими большой гидрофобный фрагмент. Такие молекулы могут относиться к самым различным классам органических соединений — ароматическим спиртам, амидам, эфирам кислот и др.; их попадание в митохондрии может осуществляться разными путями: например в форме лекарств, в качестве компонентов пищевой диеты; их появление может быть вызвано антропогенными загрязнениями окружающей среды, а также образованием аномальных продуктов в результате нарушения метаболизма клеток и организмов. Указанный сайт связывания ксенобиотиков взаимодействует также со структурными аналогами коэнзима Q (ротеноном и пиерицидином). Поэтому очевидно, что сайт связывания чужеродных молекул является одним из мест посадки коэнзима Q в комплексе I. Именно поэтому посадка чужеродных соединений на сайт связывания коэнзима Q блокирует функцию всей электрон-транспортной цепи и прерывает синтез АТФ. Поскольку митохондрии кроме функции энергообеспечения выполняют также функцию удаления избытка кислорода из клетки, подавление электрон-транспортной цепи должно вызывать окислительный стресс в результате накопления избытка кислорода и восстановленных пиридиновых нуклеотидов. Важно указать, что сайт связывания ксенобиотиков в дыхательной системе митохондрий обладает примерно такой же селективностью по отношению к ксенобиотикам, как и система множественной лекарственной устойчивости (он не взаимодействует с отрицательно заряженными молекулами). Кроме того, известно, что константа ингибирования NADH де-гидрогеназы гидрофобными веществами различной химической природы хорошо коррелирует с константой связывания этих веществ с микросомальны-ми оксидазами — цитохромами Р450. Это говорит о том, что ключевые параметры систем защиты организма против ксенобиотиков подобраны в клетках таким образом, чтобы осуществлять эффективную защиту электрон-транспортной цепи от воздействия чужеродных веществ. Тем не менее, очевидно, что работа этих систем не выполняет полностью задачу защиты электрон-транспортной цепи при действии ксенобиотиков в клетка (органах), которые подвергаются массированному воздействию ксенобиотиков. Поэтому в митохондриях клеток, которые подвергаются массированному воздействию ксенобиотиков, в частности в митохондриях печени и лимфоцитов, присутствует дополнительная NADH дегидрогеназа — так называемая ДТ-дифораза, в которой роль кофакторов вместо коэнзима Q играют полярные хиноны, которые могут рассматриваться как аналоги коэнзима Q. Хиноны этой группы с участием ДТ-диафоразы фактически формируют шунт в обход блока системы электронного транспорта в комплексе I, восстанавливают транспорт электронов в центральном и терминальной участках электрон-
транспортной цепи — be і-комплексе (комплексе III) и цитохром с оксидазе (комплексе IV). При этом было приято считать, что при работе шунта хино-ны и ДТ-диафораза катализируют реакцию окисления NADH комплексом III. Кроме того, кофермент Q участвует не только в окислительно-восстановительных реакциях, но участвует также в энергозависимом транспорте ионов водорода через мембрану. Поэтому аналоги кофермента Q в принципе могут в восстановленной форме оказывать влияние не только на транспорт электронов, но и на работу системы протонного транспорта.
Однако детальное изучение окислительно-восстановительных реакций хинонов, а также реакций транспорта протона, протекающих при работе шунта, до настоящего времени не было проведено.
Целью работы явилось детальное изучение окислительно-восстановительных реакций, протекающих в начальном сегменте электрон-транспортной системы митохондрий в присутствии гидрофильных хинонов в условиях подавления функции комплекса I. Также целью работы было изучению влияния гидрофильных хинонов (гидрохинонов) на функционирование системы протонного транспорта в мембранах митохондрий.
Конкретные задачи исследования:
Изучить вопрос об участии комплекса II в работе электрон-транспортной системы митохондрий в присутствии полярных аналогов убихинона в условиях подавления функции комплекса I.
Исследовать особенности реакций взаимодействия электронейтральных полярных аналогов кофермента Q с комплексами II и III электрон-транспортной системы митохондрий (при подавлении функции комплекса I).
Провести изучение реакций взаимодействия положительно заряженных хинонов с электрон-транспортной системой митохондрий.
Исследовать характер взаимодействия положительно-заряженных хинонов (гидрохинонов) с системой транспорта ионов водорода в митохондриях.
Научная новизна работы. В работе проведено систематическое исследование окислительно-восстановительных реакций гидрофильных аналогов кофермента Q (экзогенных хинонов), которые протекают в электрон-транспортной системе митохондрий в условиях блокирования активности электрон-транспортной системы в комплексе I. Этот комплекс контролирует всю систему электронного транспорта, процесс синтеза АТФ и, в значительной степени, процесс образования активных форм кислорода в митохондриях. В работе найдены неописанные ранее реакции гидрофильных хинонов, протекающие в электрон-транспортной системе, а также в системе трансмембранного транспорта ионов водорода.
В работе было обнаружено, что полярный аналог убигидрохинона — дурогидрохинон, который ранее рассматривался исключительно как субстрат комплекса III при определенных условиях эффективно окисляется комплек-
сом II (сукцинатдегидрогеназой). Показано, что в таких условиях дурогидро-хинон специфически взаимодействует с активным центром сукцинатдегид-рогеназы, показано, что он взаимодействует с активным центром этого фермента. Были определены также условия, при которых дурогидрохинон вступает в описанную ранее реакцию избирательного взаимодействия с комплексом III.
Установлено, что в условиях подавления функции комплекса I полярные аналоги кофермента Q индуцируют не один, как считалось ранее, а два параллельно функционирующих шунта, которые переносят электроны на комплекс III в обход комплекса I. Один из них, известный из данных литературы, — шунт, связанный с протеканием редокс-реакций на ДТ-диафоразе, и второй — обнаруженный нами шунт, связанный с функционированием сук-цинатдегидрогеназы. В работе показана возможность существования трех состояний электрон-транспортной системы митохондрий, возникающей в условиях блока комплекса І в присутствии полярных аналогов кофермента Q (как хинонов, так и гидрохинонов).
Впервые обнаружена способность соединений ряда положительно заряженных хинонов эффективно восстанавливаться ДТ-диафоразой митохондрий печени и затем окисляться комплексом III.
Исследован механизм взаимодействия положительно заряженных гидрохинонов с системой протонного транспорта митохондрий. Показана способность этих соединений модифицировать терминальную стадию работы дыхательных протонных помп.
Практическая значимость работы. В настоящей работе обнаружены новые окислительно-восстановительные процессы, которые протекают в присутствии гидрофильных хинонов в условиях блока комплекса I ксенобиотиками. Результаты, полученные в настоящей работе, расширяют круг наших знаний о возможных путях восстановления функции митохондрий с помощью гидрофильных аналогов кофермента Q. Фактически эти соединения могут быть использованными для защиты энергообеспечения клетки от воздействия гидрофобных или бифильных ксенобиотиков различного строения, попадающих в организм в качестве загрязнений из окружающей среды и в качестве лекарственных препаратов. Полученные в работе данные имеют большую значимость в условиях массированного загрязнения окружающей среды продуктами антропогенной деятельности, а также в условиях стремительного роста количества новых лекарственных препаратов, используемых человечеством.
Апробация работы. Основные положения данной работы и ее основные результаты были представлены на международной конференции "Рецепция и внутриклеточная сигнализация" (Пущино, Россия, 5-7 июня 2007), международной конференции "15th European Bioenergetics Conference 2008" (Дублин, Ирландия, 19-24 июля 2008), международной конференции "Рецепция и внутриклеточная сигнализация" (Пущино, Россия, 2-4 июня 2009), международной конференции "The 34th FEBS Congress" (Прага, Чехия, 4-9 июля 2009). Кроме того, некоторые из результатов этой работы были представлены
в Институте Физико-Химической Биологии имени Белозерского МГУ имени М. В. Ломоносова на семинарах отдела биоэнергетики.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи в рецензируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из следующих разделов: «Список сокращений», «Введение», «Обзор литературы», «Материалы и методы», «Результаты и их обсуждение», «Заключение», «Выводы», «Список цитируемой литературы». Объем диссертации составляет 125 страниц машинописного текста и включает 57 рисунков, 7 таблиц и 155 библиографических ссылок.
![Синтез аналогов природных хинонов на основе реакции [4+2]-циклоприсоединения силоксибутадиенов](/i/i/4460/49241.png "Синтез аналогов природных хинонов на основе реакции [4+2]-циклоприсоединения силоксибутадиенов Нечепуренко Иван Васильевич")