Влияние препаратов растительного происхождения на кальциевый гомеостаз митохондрий головного мозга крыс различного возраста

Influence of herbal drugs on calcium homeostasis of brain mitochondria in rats of various ages
Цитировать:
Влияние препаратов растительного происхождения на кальциевый гомеостаз митохондрий головного мозга крыс различного возраста // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Далимова С.Н. [и др.]. 2020. 12(78). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/10998 (дата обращения: 20.05.2022).
Прочитать статью:

 

АННОТАЦИЯ

В статье исследовано влияние супрамолекулярного комплекса, состоящего из глицирризиновой кислоты и кверцитина (ГК+Кв) на процесс скачка митохондриальной проницаемости (СМП) и кальциевый гомеостаз митохондрий головного мозга 9,12, и 15 месячных крыс. Установлено, что ГК+Кв увеличивает порог чувствительности митохондрий к Са2+ индуцированному скачку митохондриальной проницаемости 15 месячных крыс, не оказывая влияния на трансмембранный потенциал митохондрий.

ABSTRACT

In the article influence of a supramolecular complex consisting of glycyrrhizic acid and quercetin (GA+Qu) on the process of jump in mitochondrial permeability (JMP) and calcium homeostasis of brain mitochondria in 9,12 and 15 month-old rats is investigated. It has been found that GA+Qu increases the threshold of mitochondrial sensitivity to Са2+  induced jump in mitochondrial permeability in 15-month-old rats, without affecting the transmembrane potential of mitochondria. 

 

Ключевые слова: митохондрии, крысы различного возраста, пора скачка митохондриальной проницаемости, флавоноиды, глицирризиновая кислота.

Keywords: mitochondria; rats of various ages; time of the jump of mitochondrial permeability; flavonoids; glycyrrhizic acid.

 

Важным звеном нарушения митохондриальных функций при старении является снижение способности митохондрий регулировать гомеостаз кальция в клетке и устойчивость к процессу скачка митохондриальной проницаемости (СМП) [1]. Процесс СМП обусловлен открытием комплекса пор, что является ключевым этапом каскадов гибели клеток. Именно поэтому митохондрии, и особенно процесс СМП, являются крайне перспективной мишенью для поиска нейропротекторных препаратов. Существуют различные способы увеличения устойчивости митохондрий к СМП, одним из перспективных подходов является регуляция кальциевого гомеостаза митохондрий – модуляция процессов входа и выхода кальция, а также действие на кальциевую емкость митохондрий. Открытие поры для проницаемости митохондрий (mPTP) на внутренней мембране митохондрий приводит к набуханию этих органелл, разобщению окислительного фосфорилирования, снижению синтеза молекул АТФ, что крайне пагубно может сказаться на состоянии как отдельных клеток, так и целых тканей и органов, и в конечном итоге, организма в целом. Известно,что данная пора представляет собой мега-канал, состоящий из адениловой транслоказы, подвергшейся выраженным конформационным изменениям, которая взаимодействует с другими белками внутренней мембраны. Изучение механизмов открытия и регулирование открытия этих пор может иметь большое значение для поиска путей коррекции многих митохондриальных дисфункций, в том числе и связанных с возрастными изменениями [2].

Ранее нами было показано, что с увеличением возраста у крыс в митохондриях головного мозга наблюдается повышение перекисного окисления липидов (ПОЛ), снижение процессов окислительного фосфорилирования, активности ферментов дыхательной цепи, биосинтеза митохондриальных белков. Введение таким животным супрамолекулярного комплекса, состоящего из флавоноида кверцитин и глицирризиновой кислоты вызывало восстановление изученных показателей [3,4].

Целью настоящей работы являлось исследование влияния супрамолекулярного комплекса, состоящего из глицерризиновой кислоты и кверцитина на процесс СМП и кальциевый гомеостаз митохондрий головного мозга крыс различного возраста.

Материал и методы исследования

В работе использованы самцы 9, 12, 15 месячных крыс белых беспородных крыс. Митохондрии выделяли методом дифференциального центрифугирования [5] в среде, содержащей 320 мМ сахарозы, 10 мМ трис-НСl и 0,5 мМ ЭДТА или 0.5 мМ ЭГТА, 0,2% БСА, рН 7,4. Количественное определение содержания белка проводили биуретовым методом [6]. Набухание митохондрий головного мозга крысы определяли по изменению светорассеяния суспензии митохондрий при длине волны 540 нм. Набухание измеряли с использованием спектрофотометра Cary 60 (Agilent Technologies) при 25°С с интенсивным перемешиванием [2] в среде инкубации, содержащей 10 мМ трис-НСl, 120 мМ КСl, 5 мМ глутамат, 1 мМ малат и 2,5 мМ КН2РО4. Инициаторами скачка митохондриальной проницаемости служили хлористый кальций или синтетический пептид β-амилоид 25-35 (Аβ).

Супрамолекулярный комплекс, состоящий из флаваноида кверцетина и глицирризиновой кислоты (ГК+Кв) синтезировали в Институте Биоорганической химии АНРУз. Опытным животным различного возраста комплекс вводили в дозе 30 мг/кг веса тела животного в течении 3х дней.

Результаты и их обсуждение

В результате проведенных исследований было обнаружено, что чувствительность митохондриальных мембран к нагрузке Са2+ зависит от возраста животного: у 9- и 12-месячных крыс контролируемое набухание вызывается добавкой Са2+ в концентрации 40 мкМ, тогда как у 15 месячных животных набухание вызывается добавкой 20 мкМ Са2+, что свидетельствует, что с возрастом митохондрии становятся более чувствительными к воздействию ионов кальция. Са2+-стимулированное набухание на 95-98% блокировалось специфическим ингибитором mPTP циклосопорином А, что подтверждает существующее мнение о главной роли этой поры в процессе набухания митохондрий. Вполне вероятно, что изменение с возрастом чувствительности mPTP к нагрузке кальцием во многом определяет изменения чувствительности тканей, лежащие в основе клеточных повреждений во время старения (табл.1). Полученные результаты совпадают с данными других исследователей, показавших, что при старении повышается чувствительность митохондрий к активации mPTP, выражающаяся в снижении пороговой концентрации Са2+, которая инициирует открытие mPTP [2]. Нагрузка митохондрий кальцием, количество которого соответствовало пороговым концентрациям, вызывала ускорение в 4-5 раз набухания митохондрий у 12 месячных животных по сравнению с митохондриями взрослых крыс. При сравнении полупериодов максимального набухания митохондрий 9 и 12 месячных крыс, было обнаружено, что у зрелых крыс данный показатель снижен в 4-5,7 раза. Увеличение скорости Са2+-индуцированного набухания у более взрослых 15 месячных животных приводило к уменьшению времени полного набухания митохондрий – в 2 и 4 раза соответственно по сравнению с 9-месячными животными.

При введении экспериментальным животным супрамолекулярного комплекса ГК+Кв были получены следующие результаты (рис.1).

Таблица 1.

Изменения Са2+-индуцированного набухания энергизованных митохондрий (M±m;n=6)

Возраст, мес

Добавка Са2+, мкМ

Vнабух, оп.ед/мин

t полн, мин

t 1/2, мин

9

Контроль

40

0,18±0,02

6,17±0,06

4,3±0,07

Опыт

20

0,48±0,05

1,57±0,01

0,68±0,02

12

Контроль

30

0,32±0,01

3,02±0,03

1,14±0,02

Опыт

20

0,34±0,08

1,93±0,04

0,96±0,03

15

Контроль

20

0,88±0,03

1,56±0,01

0,76±0,01

Опыт

0,24±0,05

4,50±0,04

1,70±0,05

 

Так, у 9-месячных крыс введение препарата приводило к сокращению времени полного набухания практически в 4 раза, при этом значительно менялась кинетика, о чем свидетельствует резкое, более чем в 6 раз, сокращение времени полумаксимального набухания. В группе контрольных 9 месячных животных набухание вызывалось в ответ на добавление 40мкМ Са2+, в то время как в группе животных, получавших ГК+Кв, добавление уже 20мкМ Са2+ вызывало набухание митохондрий. Таким образом, в данной возрастной группе введение комплекса ГК+Кв приводит к снижению резистентности митохондрий.

В группе 12-месячных контрольных животных минимальной концентрацией, вызывающей набухание, являлась 30 мкМ Са2+. При этом набухание происходило в 2 этапа. В контроле в ответ на добавку 30 мкМ Са2+ митохондрии полностью набухали в среднем за 3 минуты, в то время как в группе животных, получавших комплекс ГК+Кв, набухание начиналось в ответ уже на 20 мкМ Са2+ и значение этого показателя составляло 1,93 мин, т.е. в 2,4 раза меньше). Время полумаксимального набухания – показатель, позволяющий оценить кинетику процесса, в группе контрольных животных (в ответ на 30 мкМ Са2+) равнялось в среднем 3,4 минутам, а в группе животных, получавших комплекс этот показатель (в ответ на 20 мкМ Са2+) был меньше минуты и равнялся в среднем 0,96 – то есть полумаксимальное набухание под действием ГК+Кв происходило в 3,5 раза быстрее. Таким образом, исследуемый комплекс для животных возрастной группы 9 и 12 месяцев оказывал явное негативное воздействие.

 

Рисунок 1. Влияние супрамолекулярного комплекса на Са2+-индуцированное набухание энергизованных митохондрий в зависимости от возраста животных (n=6; M±n)

 

Иная картина наблюдалась в группе 15-месячных животных - в этом случае комплекс оказывал ярко выраженное стабилизирующее воздействие. В данной возрастной группе контролируемое набухание как в контрольной, так и в опытной группе, вызывалось добавлением 20 мкМ Са2+. Однако в группе животных, получавших комплекс ГК+Кв митохондрии набухали значительно медленнее и более продолжительное время: у опытных животных по сравнению с интактными, скорость набухания митохондрий была снижена практически в 4 раза, при этом как время полумаксимального, так и полного набухания было увеличено в 2,2 раза по сравнению с контрольными значениями, что указывает на то, что комплекс ГК+Кв проявляет свою активность не на начальных этапах возрастных изменений в митохондриях, а у более старых крыс. В случае использования 40 мкМ Са2+, комплекс вызывал резкое сокращение как времени полного набухания, так и времени полумаксимального набухания, что свидетельствует о критическом изменении кинетики данного процесса.

Из литературных данных известно, что причинами образования mPTP является рост концентрации катионов кальция в матриксе митохондрий. Такие факторы как окислительный стресс, старение, недостаток адениновых нуклеотидов, деполяризация митохондрий и рост концентрации фосфата снижают пороговую концентрацию Ca2+, достаточную для индукции СМП. Открытие mPTP приводит к быстрому переносу протонов внутрь митохондрий, что способствует деполяризации внутренней митохондриальной мембраны и разобщению окислительного фосфорилирования. При этом вода с растворенными в ней низкомолекулярными соединениями устремляется внутрь митохондрий, что вызывает их набухание и повреждение внешней митохондриальной мембраны [7]. Предотвращение образования mPTP является перспективным подходом при поиске новых лекарственных препаратов для лечения нейродегенеративных заболеваний, болезней сердца и метаболических заболеваний [8].

Ранее нами было показано, что  супрамолекулярный комплекс ГК+Кв способен модулировать функции митохондрий. На изолированных митохондриях печени крыс было показано, что комплекс в концентрации снижает перекисное окисление липидов митохондрий печени и головного мозга старых крыс [3,4]. Митохондриально-направленное действие этого комплекса было подтверждено и в работах, проведенных в условиях in vivo. В настоящем исследовании установлено, что ГК+Кв увеличивает порог чувствительности митохондрий к Са2+- индуцированному скачку митохондриальной проницаемости 15 месячных крыс, не оказывая влияния на трансмембранный потенциал митохондрий, что служит основанием рекомендовать это соединение в качестве эффективного митопротектора.

 

Список литературы:

  1. Kowaltowski A.J., Castilho R.F., Vercesi A.E. Mitochondrial permeability transition and oxidative stress // FEBS Lett. 2001. Vol. 495, № 1-2. P. 12–15. 124.
  2. Крестинина О.В., Круглов А.Г., Грачев Д.Е., Бабурина Ю.Л., Евтодиенко Ю.В., Мошков Д.А., Санталова И.М., Азарашвили Т.С. Возраст-зависимые изменения функций митохондрий при Са2+-индуцируемом открытии поры // Биологические мембраны, 2010. Т. 27. № 2. С. 178-183.
  3. S. Dalimova, Sh.Kuziev, G.Umarova, G.Mukhammadjonova, M.Yunusova, N.Khamdamova, F.Eshboev. Influence of the supramolecular complex of glycyrrhizic acid with quercetin on age-related functional changes in rat brain mitochondria. Plant Cell Biotechnology and Molecular Biology 21(45&46):63-73; Y. 2020
  4. Далимова С.Н., Далимов Д.Н., Умарова Г.Б., Мухамаджанова Г.М., Абдуллаева У.А. Скрининг антиоксидантной активности супромолекулярных комплексов, созданных на основе природых соединений. Теоретической и клинической медицины №3. Г. 2017  ISSN 2091-5853 Индекс 921. С 14-17
  5. Gornal A.G. Bardawill C.J., David M. Determination of serum protein by means of biuret reaction.// J.Biol. Chem., 1949. V. 177. P. 751-766.
  6. Sims NR. Rapid isolation of metabolically active mitochondria from rat brain and subregions using Percoll density gradient centrifugation. J Neurochem.// 1990.-V.55(2).-P.698-707
  7. Halestrap A.P., McStay G.P., Clarke S.J. The permeability transition pore complex: another view // Biochimie. 2002. Vol. 84, № 2-3. P. 153–166. 114. Elrod J.W., Molkentin J.D. 
  8. Davis R., Williams M. Mitochondrial function and dysfunction: an update // J. Pharmacol. Exp.2012. Vol. 342, № 3. P. 598–607.
Информация об авторах

доктор биологических наук, профессор кафедры биохимии Национального Университета, Узбекистан, г. Ташкент

Doctor of Biological Sciences, Professor of Biochemistry Chair, National University, Uzbekistan, Tashkent

старший преподаватель,PhD кафедры биохимии Национального Университета, Узбекистан,г. Ташкент

Senior Lecturer, PhD, Biochemistry Chair, National University, Uzbekistan, Tashkent

кандидат биологических наук, доцент кафедры биохимии Национального Университета, Узбекистан,г. Ташкент

Candidate of Biological Sciences, Associate Professor of Biochemistry Chair, National University, Uzbekistan, Tashkent

кандидат биологических наук, доцент кафедры биохимии Национального Университета, Узбекистан,г. Ташкент

Candidate of Biological Sciences, Associate Professor of Biochemistry Chair, National University, Uzbekistan, Tashkent

преподаватель, кафедры биохимии Национального Университета, Узбекистан, г. Ташкент

Lecturer, Biochemistry Chair, National University, Uzbekistan, Tashkent

преподаватель, кафедры биохимии Национального Университета, Узбекистан, г. Ташкент

Lecturer, Biochemistry Chair, National University, Uzbekistan, Tashkent

магистр, кафедры биохимии Национального Университета, Узбекистан, г. Ташкент

Master, Biochemistry Chair, National University, Uzbekistan, Tashkent

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top