Действительно, два основных механизма были предположены для объяснения молекулярных основ метаболической неэффективности, индуцируемой с помощью ТН в митохондриях: первый концентрируется на уровне proton-leak, второй на уровне "redox slip". По сути, т. наз. скольжение ("slipping") вдоль респираторной цепи заключается в неспособности протоновых насосов, феномен, который возникает, когда они переносят электроны с пониженной extrusion (выдавливанием) протонов из поперечника мембран и эта неспособность говорит о том? что наисвысшая скорость дыхания необходима для поддержания данного уровня Δµn;H+
.
Было показано, что redox slip частично ответственен за величину базового уровня дыхания в митохондриях
18-20 и это было предложено в качестве объяснени стимулирующего эффекта, оказываемого ТН на дыхание. В 1988 Brand
et al.19 предположили, что действие тироидных гормонов не связано в первую очередь с количеством компонентов респираторной цепи или с самими митохондриями, а скорее с leak/slip характеристиками митохондрий. Однако, таже группа постепенно отказалась от существования slip и его роли в поддержании гормонального эффекта
21. Schemer
et al., с др. стороны, продемонстрировали появление slip реакции в основном на уровне cytochrome oxidase (COX) комплекса, хотя необходимо отметить возникновение некоторых проблем с изучением этого энзима, как из ща его сложности
23-25, так и из-за его специфической и тесной ассоциации с cardiolipin
26. Тироидный гормон способен индуцировать изменение в составе фосфолипидов внутренней мембраны и стимулировать синтез cardiolipin
27, который, в свою очередь, стимулирует активность некоторых носителей и энзимов в митохондрии
28. Canton
et al29 сообщили о разных вкладах redox-slip и proton-leak на базовое дыхание в зависимости от температуры, при которой инкубируются митохондрии. Они показали, что низкие темпертуры (25
оС) снижают вклад redox-slip, тогда как принормальной физиологической температуре у млекопитающих (37
оС) подавляющим вкладчиком в базовое дыхание являтся proton-leak. Luvisetto
et al.30 показали, что при 25
оС гипертироидизм свпособен увеличивать и proton-leak и redox-slip в митохндриях млекопитающих. Однако, те же авт. не проводили экспериментов при 37
оС , так что осталось неясным оказывает ли Т3 эффект только на redox-slip при нефизиологически низких температурах.
Вклад proton-leak, основного процесса контролирующего потребление кислорода митохондриями, когда клеточные потребности в АТФ низки, был измерен в митохондриях из печени, головного мозга, почек и скелетных мышц
31. Этот процесс играет важные физиологические роли (i) т.к. он отвчает за высокую пропорцию скорости клеточного метаболизма (т.е., 25% и 52% от величины дыхания в покое в изолированных гепатоциах крыс и perfused скелетных мышц крыс, соотв.
32 и (ii) т.к. повышенная масс-специфическая метаболическая скорость, связанная с уровнями тироидных гормонов, связана с повышенным митохондриальным proton-leak
20. Действительно, точный механизм, с помощью которого proton-leak регулируется, остается неизвестным. Растут доказательства, подтверждающие существование корреляции между составом фосфолипидов и жирных кислот во внутренней мембране и ее проводимостью для протонов
33. Однако, изменения в составе жирных кислот фосфолипидов митохондриальных мемран, воспроизводимые в липосомах, по-видимому, не м. объяснить различий в величине проводимости для протонов
34. В экспериментах на липосомах с фосфолипидами внутренней мембраны оказалось возможным показать, протон-проводимость самих мембран в отсутствие белков, составляет только 5% от общего proton-leak, наблюдаемого у крыс
35, это указывает на то, что
in vivo proton-leak митохондрий д. зависеть от присутствия др. факторов, таких как специфические белки
36.
Относительно печеночных митохондрий было предположено, что AdNT является кандидатом, способным к uncouple oxidative phosporilftion и к взаимодействию с липидами. В самом деле Skulachev
37 показал, что AdNT обеспечивает uncoupling эффект жирных кислот в митохондриях и протеолипосомах. Этот белок, фатически, оперирует как трансмембранные переносчик для анионов жирных кислот, облегчая т.о. Н+-conducting цикл жирных кислот. В этом цикле: (1) protonated жирные кислоты диффундируют в мтохондриальный матрикс через мембрану и (2) анионы электрофоретически yfcbkmcndyyj вытесняются в противоположном направлении посредством AdNT
37. Содержание AdNT в печеночных митохондриях увеличивается двукратно после инъекции тироидного гормона гипотироидным крысам
38. Т.о., тироидным гормоном вызванное uncoupling, наблюдаемое в печени, м.б. объяснено гормон-индуцированным повышением концентрации AdNT, ведущем к подъёму митохондриальной протон-проводимости, обеспечиваемой свободными жирными кислотами. В др. тканях снижение энергии coupling, индуцируемое тироидными гормонами, м.б. обусловлено не только их эффектом на AdNT, но также индукцией белков, принаделжащих семейству uncoupling proteins (UCPs).
Thyroid Hormones and Uncoupling Proteins
Uncoupling proteins составляют подсемейство митохондриальных переносчиков, они возможно происходят от родоначальника, действующего в качествае протон/анионного носителя/транспортера. Uncoupling protein 1 (UCP1) клонирован в 1985. Он экспрессируется исключительно в адипоцитах коричневого жира, где он рассеивает митохондриальный протоновый градиент, генерируемый респираторной цепью, продуцируя тепло вместо АТФ
39. Затем были открыты близко родственные белки. У млекопитающих, в чстности, описано 5 генов: для UCP1-4 и BMCP1 (brain mitochondrial carrier 1 или UCP5)
39-41. Открытие UCP2 и UCP3 генов из-за их хромосомной локализации в области генетическго сцепления с ожирением и диабетом, явлось существенным стимулом для изучения механизмов, лежащих в основе энергетических трат и их контроля. Если UCP2 экспрессируется повсеместно
42,43, то UCP3 присутствует преимущественно в скелетных мышцах и ВАТ
44,45. Даже учитывая их биохимическую активность и физиологическую роль, они все ещё плохо изучены
36, их предполагаемые uncoupling свойства делают оба белка прекрасными кандидатами на роль молекулярных детерминантов в контроле энергитического метаболизма с помощью Т3. Установлено, что Т3 способен активировать UCP3 мРНК в скелетных мышцах вместе с увеличением proton leak
46-48. C др. стороны, экспрессия UCP2 активируется с помощью Т3 в сердце, но только слабо, если вообще, в др тканях
46,49. Относительно UCP3 в разных лаб. получены противоречивые результаты (Табл. 1, см. коментарии).
Недавнее исследование
50, как мы полагаем, за счет устранения некоторых шумовых факторов, сможет объяснить, оказывает или нет UCP3 непосредственный эффект на стимуляцию скорости метаболизма в покое с помощью Т3. Во-первых, мы искали доказательства присутствия мРНК UCP3 и митохондриалоного белка в ткани, которая как известно, является метаболически или чувствительна (скелетные мышцы, сердце, печень) или нечувствительна (селезенка, легкие) к Т3. Нозерн блот анализ показал (i) что мРНК UCP3 четко определяется в скелетных мышцах, но не выявляется в сердцк, печени, селезенке и легких и (ii) что Т3 четко усиливает уровни мРНК UCP3 в скелетных мышцах почти в 25 раз по сравнению с уровнем в гипотироидном состоянии. В сердце мРНК UCP3 выявляется только с помощью RT-PCR анализа и усиливается с помощью Т3 (почти в 20 раз по сравнению с гипотироидным состоянием). UCP3 белок обильно экспрессируется в митохондриях скелетных мышц и в меншей степени в митохондриях сердца, причем в этих двух тканях он четко увеличивается при действии Т3 (примерно в 10 раз в скелетных мышцах и в 8 раз в сердце по сравнению с гипотироидным состоянием). В селезенке и легких, с др. стороны, белок UCP3 едва обнаружим и не регулируется с помощью Т3, тогда как в печени он не обнаруживается вообще. Во второй серии экспериментов того же исследования вводили одиночные инъекции Т3 гипотипроидным крысам и спустя определенное время (0-144 ч) регистрировали индуцированные изменения в (i) resting metabolic rate (RMR), (ii) уровни мРНК и белка UCP3 в скелетных мышцах и сердце и (iii) coupling состояние митохондрий m.gastrocnemius. Уровни мРНК UCP3 были уже увеличиены 6-кратно спустя 6 ч после инъекции Т3 с максимальным увеличением (примерно в 25 раз) спустя 24 ч и в скелетных мышцах и сердце. После этого величина мРНК UCP3 в каждой ткани снижалась до первоначального уровня к 96 ч. На уровне белка увеличение содержания UCP3 в митохондриях начиналось между 12 и 24 ч, достигало пика к 65 ч (усиливалось примерно в 12 раз) и начинало снижаться. После инъекции Т3 изменения во времени в содержании в митохондриях белка UCP3 тесно совпадали с индуцированными изменениями в RMR, уровни которого начинали увеличиваться с 24 ч, достигали пика в 65 ч и затем снижались (Рис. 2).
Затем оценивали с помощью top-down анализа эластичности митохондриальный proton-leak s 0, 65 и 144 ч, чтобы определить, обладают ли митохондрии, обнаруживающие высокую плотностть UCP3, более высокой uncoupling респирацией. В 64 ч, временной точке с макс. плтностью UCP3, митохондрии m.gastrocnemius обнаруживали существенно увеличенную величину nonphosphorylated respiration (+40%), тогда как мембранный потенциал снижался только на 8%, это четко указывает на присутствие uncoupling. Мы верили, что впервые получили доказательства in vivo, что UCP3 обладает потенциалом действовать как молекулярный детерминант в своем влиянии на RMR, оказываемым Т3. В этом исследовании велична респирации и мембранный потенциал были определены в условиях, которые избегают влияния AdNT и возможные различия в эндогенных уровнях FFA. Действительня биохимическая функция UCP3 еще не установлена и остается определить, является ли модуляция протон проводимости или нет его первичной функцией. Недавно Moore
et al.51 предположили, что экспрессия UCP3 м.б. связана со скоростью β-окисления. Они наблюдали избыточную экспрессию UCP3 в скелетных мышцах мышей, вызывающей повышенную экспрессию мРНК mitochondrial thioesterase (MTE-1). Увеличение экспрессии этого энзма косвенно указывает на связь с усилением β-oxidation. Основная ферментативная активность МТЕ-1 связана с расщеплением активированных (ацил-СоА) длинных цепей жирных кислот на их соотв. свободные жирные килоты CoA-SH в митохондриальном матриксе. АВт. полагают, что увеличение МТЕ-1 м. выполнять функцию в рециклинге CoA-SH, делая тем самым доступнем его для β-oxidation и цикла Кребса
51,52. В ситуации, при которой окисление жирных кислот предоминирует, UCP3 д. экспортировать FFA анионы (возникающие в результате гидролиза с помощью МТЕ-1) для последующей реактивации. В принипе, это сходно с тем. что происходит в аэропорту, когда имеется напряженный трафик: самолеты вынуждены кружить над аэропортом (экспорт FFA посредством UCP3 во внутренней митохондриальной мембране) до тех пор, пока не освободится взлетная полоса (CoA-SH) и приземление (β-oxidation и цикла Кребса) станет возможным (Рис. 3). Т3 также стимулирует окисление жирных кислот
53,54 и у людей гипертироидизм ассоциирует в повышенными уровными и увеличенным обменом свободных жирных кислот в плазме, за счет чего и обнаруживается постоянное сжигание этих жирных кислот в данном состоянии
55,56. Итак, обнаруживаемая корреляция между Т3, RMR и UCP3 м.б. интерпретирована в терминах, что Т3 обеспечивает лучшую утилизацию жирных кислот, ситуация которая согласуется в гипотезой Humms-Hagen and Harper
52.
Diiodothyronines and Energy Metabolism
Все больше доказательств, что йодтиронины, иные чем Т3 и Т4, м. влиять на энергетический метаболизм. Среди них 3,5-Т2 привлек наибольшее внимание
7-12. В самом деле, было покзано, что этот Т2, ели вводится гипотироидным крысам, то способен усилить RMR
57,58. Его эффекты в отличие от Т3 являются независимыми от белкового синтеза и осуществляются более быстро, чем эффекты Т3 (Рис. 4). Эксперимент проведен точно также как э то делал Tata
2,4 за исключением того, что гипотироидизм индуцировался одновременным использованием propylthiouracil (PTU) и iopanoic acid (IOP), чтобы вызывать тяжелый гипотироидизм и в то же время строго ингибировать все три deiodinase энзима. Эта модель позволила авт. исключить возможность, что часть эффектов будет не результатом применения iodothyronines, а их deiodinated продуктов. Т3 осуществляет свое влияние в основном, контролируя скорость транскрипции генов, кодирующих различные ключевые белки, участвующие в энергетическом метаболизме в клетках. 3,5-Т2, с др. стороны, м. дейстовать преимущественно, непосредственно влияя на митохондриалный аппарат трансдукции энергии, т.к. его эффекты независимы и от ядерных рецепторов тироидных гормонов и от синтеза белка, и проявляются в короткое время.
Гипотеза, что митохондрия м.б. непосредственной целью 3,5-Т2, подтверждена идентификацией специфических сайтов связывания для 3,5-Т2 на митохондриальном уровне
59. С помощью top-down анализа эластичности было показано, что 3,5-Т2 способен затрагивать общую кинетику окисления субстратов, действуя на двуа разных сайта респираторной цепи: комплекс IV и блокируя реакции, связанные с окислением цитохрома с
60. Авт. уже наблюдали
61, что in vitro 3,5-Т2 стимулирует активность СОХ комплекса, выделенного из митохондрий сердца теленка, тогда как Arnold
et al.
62? используя фотоафинити мечение, последовательно идентифицировали субъединицу Va COX комплекса, как сайта связывания для 3,5-Т2. Специфическая природа связывания подтверждена с помощью мноклональных антител, полученных против субъединицы Va, которые предупреждали эффект дийодтиронина. Kadenbach
et al.
25 также показали. что 3,5-Т2 способен снижать эффективность восстановленного СОХ комплекса, измеренную как отношение респирации в присутствии uncouplers к респирации в их отсутствие. Этот in vitro эффект обнаруживается в присутствии внутрилипосомальных АТФ, но не АДФ, указывая тем самым, что в условиях низкого использования энергии (высокое АТФ/АДФ отношение) а также при восстановлении, 3,5-Т2 м. вызывать снижение активности накачивания протонов цитохром оксидазой: это и есть redox-slip
25.
Необходимо упомянцть, что и др. механизмы также м.б. предположены для объяснения эффекта, оказываемого 3,5-Т2 на метаболизм митохондрий
62-64. Рассмотрев все накопленные данные, авт. поддерживают идею 3,5-Т2 как возможного периферического медиатора некоторых эффектов, продукируемых тироидными гормонами на энергетический метаболизм у животного в целом. Неожиданным оказался эффект 3,5-Т2 на RMR
57,58, обнаруживаемый только тогда, когда используются гипотироидные (обработанные PTU + IOP) крысы, но не нормальные эутироидные крысы. Тогда как ещё Tata
4 показал , что если Т3 инъецируется эутироидным скорее, чем гипотироидным крысам, выявляются достоверные различия в реакции, обусловленные в основном плавностью кривой экспрессии на время в изменении базовой скорости метабоизма. В недавнем исследовании
65 авт. получены доказательства, подтверждающие гипотезу, что эффект, продуцируемый применением Т3 к нормальным эутироидным крысам не целиком обусловлен Т3. Паттерн изменений RMR после применения Т3 отличался у эутироидных и гипотироидных крыс: макисмльаное увеличение RMR происходило спустя 50-75 ч после инъекции гипотироиднм крысам, но спустя 25 ч у эутироидных крыс. Это указывает что или (а) помимо ядерно-опосредованных эффектов Т3 существует механизм, который обнаруживается только тогда, когда животное является скорее эцтироидным, чем гипотироидным или (б) что deiodination T3 у эутироидных крыс ведет к образованию др. биологически активных йодотиронинров. Фактически при эутироидных условиях deiodinase энзимы полностью активны и способны превращать Т3 в продукт с потенциалом усиливать скорость метаболизма более быстро, чем сам Т3. Авт.
65 нашли, что паттерны реакций, индуцируемые Т3 у эутироидных крыс и 3,5-Т2 у гипотироидных крыс сходны во времени, это указывает на то, что по крайней мере частично, ранний эффект Т3 у эутироидных животных м.б. обусловлен 3,5-Т2.
Более того, установлено, что одновременное применение Т3 и актиномицина Д к эутироидным крысам вызывает ингибирование преимущественно поздней части реакции на Т3 (после 24 ч), тогда как ранняя фаза (между 14 и 24 ч) затрагивается незанчительно (Рис. 4). Кроме того авт. установили, что инъекции Т3 эутироидным животным ведуи к существенному увеличнеию в сыворотке и на клеточном уровне 3,5-Т2 и что одновременное острое ингибирование deiodinase энзимов строго снижает ранний эффект RMR, индуцируемый Т3. Хотя попытки продемонстрировать превращение Т3 в 3,5-Т2 in vivo оказались безуспешными, представленные выше данные показывают, что реакция действительно имеет место. При одновременной инъекцйии гипотироидным крысам Т3 и 3,5-Т2 выявляется синергичный эффект на RMRЮ это указывает на то, что при эутироидизме финальное метаболическое состояние у целого животного м.б. предопределено кооперацией этих двцх йодтиронинов. Физиологическое значение существования двойного механизма, с помощью которого йодотиронины (3,5-Т2 и Т3) м. оперировать, регулируя энергетический метаболизм, м.б. следующим: кратковременный механизм стимулируемый 3,5-Т2, используется для быстирого ответа на внезапные физиологические изменения в энергетических потребностях, тогда как михенизм, стимулируемый Т3, используется для долговременного энергетического приспособления (напр., во время холодовой адаптации).
Problems Related to Studies of the Effects of TH on Mitochondria
Сайт создан в системе
uCoz