Глава 6. Мітохондріальні хвороби та остеопороз ю.Б. Гречаніна
Остеопороз розвивається при багатьох спадкових захворюваннях, у тому числі при порушенні енергетичного апарату клітини – мітохондріях (МТХ).
Мітохондрії – це великі складні органели клітини. Вони мають подвійну мембрану. Для першої гладкої зовнішньої мембрани характерна присутність моноамінооксидази, ацил-КоА-синтази і фосфоліпази А2. Друга – більш щільна внутрішня мембрана, утворює складки – кристи. Порожнина, яка оточена внутрішньою мембраною, має назву матриксний простір і містить ферменти, що перетворюють пируват і жирні кислоти в ацетил-КоА, і окислюють його в циклі лимонної кислоти. Простір між зовнішньою і внутрішньою мембранами має назву міжмембранний простір і містить ферменти креатинкиназу й аденілаткиназу.
МТХ знаходяться в основному в клітинах, що споживають велику кількість енергії, наприклад, у клітинах скелетної мускулатури і серцевого м'яза, у екзокринних клітинах підшлункової залози, де високий рівень синтезу секреторних білків. Велика кількість мітохондріальних ферментів кодується ядерною ДНК і після трансляції їх мРНК у цитоплазмі окремі поліпептиди переносяться в МТХ. У МТХ також є власна ДНК, що володіє обмеженим обсягом кодування, а також рибосоми [1,4].
На мітохондріях проходять процеси окислювального фосфорилювання та перенос електронів в дихальному ланцюзі.
До складу дихального апарата входять наступні елементи:
Білки, що беруть участь в реакціях окиснення дихального ланцюга переносу електронів;
АТФ-синтазний ферментний комплекс, що синтезує АТФ з аденозин 5'- дифосфата (АДФ) і неорганічного фосфату (Рi);
Транспортні білки, що регулюють транспорт метаболітів у матрикс і з нього.
Ферменти дихального ланцюга знаходяться у внутрішній мембрані МТХ і здійснюють окисне фосфорилювання, поєднане з утворенням АТФ.
Окисне фосфорилування – це процес, за допомогою якого ферментативне окислювання метаболітів перетворюється в енергію, що запасається у вигляді АТФ. Цей процес може бути розподілений на три частини:
Біохімічні реакції, що генерують електрони з високим рівнем енергії.
Мембранна система транспорту електронів, що дозволяє перетворювати енергію електронного транспорту у протонний градієнт на внутрішній мембрані МТХ.
АТФ-синтаза, що використовує протонний градієнт для виробництва АТФ під час потоку Н+ з міжмебранного простору в мітохондріальний матрикс.
Для участі в енергетичному обміні мітохондріям потрібні більш ніж 50 ферментів і ферментних комплексів, які складаються із 40 різних білків.
Джерелом електронів може бути окислювання вуглеводів, ліпідів, білків або нуклеїнових кислот, хоча основними енергетичними ресурсами в більшості клітин є вуглеводи і жирні кислоти. На внутрішній мембрані МТХ розташовані комплекси з чотирьох основних білків, які мають назву система транспорту електронів. Ці комплекси дозволяють електронам, що утворюються при метаболічному окислюванні, переходити від одного акцептора електрона до іншого. Вільна енергія, яка виділяється при переході електронів від одного комплексу до наступного, використовується для переносу протонів у міжмембранний простір. У результаті цього процесу на внутрішній мембрані МТХ створюється протонний градієнт, якій забезпечує синтез АТФ. Наприкінці транспортного ланцюга електрони приєднуються до останнього акцептора – молекулярного кисня з утворенням води. Накопичені в міжмембранному просторі протони перетікають по градієнту концентрації через АТФ-синтазу (цей фермент використовує енергію переносу Н+ для виробництва АТФ з АДФ і Ф).
Р
ис.
1. Енергетичний метаболізм
Лактат ↔ Пируват ↔ Аланин
(метаболізм пируватів, цикл трикарбоновых кислот і дихальний ланцюг)
При метаболізмі ліпідів жирні кислоти ацетиліруються до ацил-КоА в мітохондріальному матриксі, де β-окислювання і цикл лимонної кислоти створюють високоенергетичні електрони, що передаються по ланцюзі переносу електронів. Енергія, що утворюється при окислюванні жирних кислот і вуглеводів, використовується в мітохондріях у формі накопичення електронів. Пируват і жирні кислоти вибірково переходять з цитозолю в мітохондріальний матрикс, де група ферментів, об'єднаних у дихальний ланцюг, переносить отримані електрони на кисень з утворенням води.
Пируват, що утворився в цитоплазмі в процесі гліколізу, і жирні кислоти переносяться з цитозолю в мітохондріальний матрикс. Потім пируват перетворюється в матриксі в ацетил-КоА під впливом комплексу пируватдегідрогенази (ПДГ). Цей багатоферментний комплекс складається із компонентів Е1, Е2, Е3 і потребує кофактори тіамін-пірофосфат, -ліпоєву кислоту, ФАД, HAД+ і КоА. Ацетіл-КоА повністю окислюється в циклі трикарбонових кислот.
У систему транспорту електронів входять три белкових комплекси (I, III, IV) і убіхинон, які відповідають за послідовний перенос високоенергетичних електронів. Ці електрони за допомогою NADH і FADH2 доставляються на молекулярний кисень. До складу кожного комплексу входять ферменти, білки, а також переносники електронів (такі як, цитохром С и убіхинон). Ці переносники циркулюють між комплексами.
В останній час з`явились дані про можливу причетність порушень енергетичного обміну до патології кістяка проблеми мембранної патології і порушення цілісті і гибелі клітини. Н.М. Емануель, Є.Б. Бурлакова встановили механізми мембранолізу (цитолізу) і апоптозу (гибель ядра). Цими авторами був знайдений особливий вид ураження тканин - кальцифікуючий мембраноліз, при якому руйнуються кислі фосфоліпіди зовнішних клітинних мембран, що приводить до вивільнення азотистих компонентів фосфоліпідів (серин, етаноламін, фосфоетаноламін), відтворення надмірних кількстей оксалату і фосфату, вивільнення мембранозв’язочного кальцию з наступною кальцифікацією м’яких тканин. Було показано, що таке явищее присутнє при дизметаболічних нефропатіях, інтерстиціальних нефритах, сечокам’яній хворобі й супроводжується появою в сечі речовин, які можуть призвести до камнеутворення в сечовиводячих шляхах (кальцій, оксалати, фосфати), а також сполук, що утворюють матрицю конкремента (метаболіти колагену, глікозаміноглікани), або кристалоутворення (перекиси ліпідів, лізофосфоліпіди) [1, 6, 7].
Процес супроводжується зниженням енергопродукції і утворенням інгібіторів кальцієвого кристалоутворення (неорганічні пірофосфати, АТФ і др.) і збільшується активацією фосфолипаз з утворенням множинних ліпідних медіаторів запалення і зниженням активності Са-Мg-АТФаз, попереджуючи надлишок накопичення кальцію в клітинах [5, 8].
Кальціфікуючий мембраноліз супроводжується активацією процесів пероксидації з підвищенням активності ксантиноксидази, яка 1-2 доби зберігається навіть при транзиторному підвищенні в крові паратгормона [9]. Ефективним засобом захисту мембранних структур і профілактикою порушення клітинного гомеостазу кальцію став препарат ксідіфон, який є синтетичним аналогом натурального регулятора обміну кальцію в організмі [4, 5, 10, 11]. Він ефективний при захворюваннях нирок, остеопорозах, кальціфікації м’яких тканин (м’язи, наднирники, ЦНС).
Якщо наступає дефект в мітохондріальній системі, страждає енергетичний обмін у цілому і органи, які містять найбільшу кількість мітохондрій (печінка, мозок, серце, очі).
Описано велику кількість мутацій генів, що кодують ферменти окисного фосфорилування (наприклад, захворювання, що пов'язані з метаболізмом пирувату), також дефекти ферментів комплексів (I, II, III, IV) дихального ланцюга.
За останні роки відкриті патологічні мутації в мітохондріальній ДНК (мтДНК), які лежать в основі мітохондріальних захворювань.