The mitochondrial ATP-dependent potassium channel and its pharmacological modulators

Full Text

Введение Функциональная активность митохондрий, как известно, во многом определяет жизнедеятельность клеток и всего организма. В экспериментальных исследованиях показано большое значение нарушений функций митохондрий в развитии различных патологических состояний [15, 19, 20, 31]. Привычное представление о митохондриях как о специализированных органеллах, контролирующих энергетический обмен, в настоящее время дополнилось представлением о них как об органеллах, в которых заключены факторы, определяющие судьбу клетки [5, 33, 38]. На митохондриях сходится и регулируется большое количество сигнальных путей, обеспечивающих как митохондриальный биогенез и пролиферацию клеток, так и, наоборот, запрограммированную гибель клетки путем ограничения окислительно-восстановительных реакций. В митохондриях клеток обнаружены молекулярные структуры, участвующие в регуляции процессов клеточной адаптации к воздействию экстремальных факторов, включая состояния гипоксии и ишемии [10, 25, 27]. Вопросы повышения резистентности организма к развитию гипоксии и ишемии все больше привлекают внимание ученых, поскольку эти состояния в той или иной мере сопутствуют течению многих заболеваний, а также возникают в результате воздействия на организм различных экстремальных факторов [3, 12, 17, 18, 21, 28]. В последние годы вскрыты фундаментальные механизмы формирования состояния гипоксии различного генеза и индуцируемых ею нарушений метаболических и функциональных процессов на уровне клетки и субклеточных структур. В системной регуляции процессов адаптации клетки и всего организма к гипоксии выделен ряд регуляторных факторов, принимающих непосредственное участие в индукции механизмов адаптации [4, 8, 11, 50]. Эти факторы могут выступать специфическими мишенями для воздействия фармакологических агентов, что открывает перспективные возможности поиска и разработки новых лекарственных средств для эффективной фармакотерапии состояний гипоксии и ишемии [24, 46]. Перспективными мишенями для фармакологического воздействия являются митохондриальные структуры, являющиеся физиологическими регуляторными факторами функции клеток. Одним из наиболее изученных митохондриальных факторов, регулирующих метаболическую и функциональную активность клетки, является митохондриальный АТФ-зависимый калиевый канал (митоКАТФ). В настоящее время достаточно хорошо исследованы биофизические свойства митохондриального калиевого канала и его физиологическое значение. Показано его участие в формировании устойчивости организма к кислородному голоданию. В ряде научных исследований продемонстрирована важная регуляторная роль митохондриальных К+-АТФ-зависимых каналов в индукции реакций адаптации организма к гипоксии [1, 14], поэтому данная митохондриальная молекулярная структура, по всей видимости, может являться специфической мишенью для действия лекарственных веществ с антигипоксической активностью. Структура и функция митохондриального АТФ-зависимого калиевого канала Митохондриальный АТФ-зависимый калиевый канал (митоКАТФ) расположен во внутренней мембране митохондрий. В лабораторных условиях был выделен белок, обладающий свойствами данного канала. Было показано, что выделенный белок-канал ингибируется физиологическими концентрациями АТФ, поэтому этот канал получил название митохондриальный АТФ-ингибируемый (зависимый) калиевый канал (митоКАТФ) [6]. По структуре он близок к цитоплазматическому калиевому каналу (цитоКАТФ) и состоит из канальной субъединицы [48] и регуляторной [36]. Канальная субъединица имеет молекулярную массу 43-46 кДа и формирует собственно АТФ-зависимый калиевый канал, который не регулируется специфическими модуляторами канала. Регуляторная субъединица имеет молекулярную массу от 60 до 174 кДа (в зависимости от типа ткани) и обеспечивает каналу чувствительность к модуляторам. Функцию регуляторной субъединицы выполняет белок, связывающийся с меченым глибенкламидом [36]. МитоКАТФ является, по всей вероятности, гетеромультимером, состоящим из калиевого канала - белка с молекулярной массой 55 кДа, который имеет выпрямляющие свойства и который по аналогии с цитоплазматическим каналом получил название митоKIR [48], и рецептора, чувствительного к сульфонилмочевине и поэтому названного митоSUR [36]. Подтверждением гетерогенности структурных белковых компонентов митоКАТФ-канала являются экспериментальные данные. Так, белок с молекулярной массой 55 кДа, выделенный из внутренней мембраны митохондрий печени крысы, который формирует АТФ-зависимые каналы (митоKIR), не ингибируется глибенкламидом и специфическим ингибитором митоКАТФ 5-HD и не активируется кромакалимом и диазоксидом. В то же время указанные модуляторы изменяли АТФ-зависимый калиевый транспорт в изолированных целых митохондриях [48]. Такие же различия были обнаружены при сравнительном изучении влияния модуляторов на цитоKIR и целый цитоКАТФ. Целый цитоКАТФ ингибировался значительно меньшими концентрациями АТФ, чем канальная субъединица, и был чувствителен к сульфонилмочевине и активаторам, в то время как канальная субъединица такой чувствительности не проявляла. Эти данные свидетельствуют о том, что основной участок связывания АТФ в калиевых каналах обоих типов (митоКАТФ и цитоКАТФ) локализован, вероятно, на канальной субъединице, а регуляторная субъединица повышает сродство канальной субъединицы к АТФ и обеспечивает чувствительность целого канала к активаторам и ингибиторам [54]. МитоКАТФ функционирует в системе митохондриального калиевого цикла (рис. 1). В митохондриях существует две системы транспорта калия: система унипортера, осуществляющего вход калия по электрохимическому потенциалу, и K+/H+-обменник, транспортирующий калий из митохондрий в обмен на Н+. Эти системы транспорта калия в митохондриях формируют так называемый калиевый цикл. Первым компонентом этого цикла, выполняющим функцию унипортера, является белок-канал с молекулярной массой 55 кДа [47]. Этот белок в бислойных липидных мембранах митохондрий формирует селективные для ионов калия каналы, которые ингибируются АТФ (митоКАТФ). Существование природного ингибитора канала вполне логично, так как закрытие канала предотвращает неконтролируемое набухание митохондрий. МитоКАТФ был обнаружен во внутренней мембране интактных митохондрий [37, 39, 41]. Другим компонентом калиевого цикла является К+/Н+-антипортер, который также выделен из внутренней мембраны митохондрий и молекулярная масса которого равна 82 кДа. Предполагается, что антипортер ответственен за поддержание объема митохондрий при увеличении скорости входа калия через внутреннюю митохондриальную мембрану. Открытие митоКАТФ кратковременно сдвигает баланс между К+-унипортером и К+/Н+-антипортером до тех пор, пока скорость выхода К+ через последний не достигает скорости входа К+. Изучение свойств митоКАТФ показало, что он относится к семейству АТФ-зависимых калиевых каналов (ингибируется физиологическими концентрациями АТФ) и, являясь селективным для калия, обладает выпрямляющими свойствами, то есть имеет разные скорости транспорта калия в зависимости от направления переноса ионов. Было установлено, что митоКАТФ участвует в поддержании функциональной активности митохондрий, что способствует адаптации организма к экстремальным воздействиям (включая гипоксию и ишемию). На этом основании стала широко изучаться роль митоКАТФ в кардиопротекции [44, 49]. Функционирование митоКАТФ зависит от редокс-состояния активных групп белка-канала. Установлено, что окислительно-восстановительные агенты модулируют работу митоКАТФ. Например, донор электронов n-диметиламиноэтилбензоат активирует митоКАТФ, а акцептор электронов пеларгонидин ингибирует канал [43], что связано, вероятно, с их влиянием на SH-группы канала. При гипоксии, как известно, в клетках значительно изменяется редокс-баланс: наблюдается увеличение концентрации активных форм кислорода, изменение соотношений НАД+/НАДН [26]. Такие сдвиги могут привести к модификации тиоловых групп цистеинов. В экспериментах со встроенным в мембраны митоКАТФ было показано, что добавление в среду инкубации системы генерации радикала супероксид аниона - ксантин/ксантин оксидазы приводило к активации канала уже в течение первой минуты инкубации [55]. При этом вероятность открытого состояния митоКАТФ возрастала приблизительно в три раза. Действие свободных кислородных радикалов на канал опосредовано различными механизмами и направлено, по-видимому, на его сульфгидрильные группы. Другим универсальным фактором регуляции метаболизма клетки и активности калиевых каналов является оксид азота (NО). Известно, что синтез NO может происходить локально в митохондриях, возможно, за счет существования специфичной митохондриальной NO-синтетазы - mtNOS [52]. Было показано, что образованный в тканях NO обладает активирующим действием на митоКАТФ [45]. Так как дыхательная цепь митохондрий является постоянным источником супероксид аниона, который легко вступает в реакцию с NO, вполне вероятно, что в митохондриях происходит образование пероксинитрита ONOO-. Предполагают, что активирующий эффект NO и пероксинитрита (ONOO-) на митоКАТФ осуществляется через активацию протеинкиназы С. Фармакологические модуляторы митохондриального АТФ-зависимого калиевого канала К настоящему времени обнаружено большое количество фармакологических агентов, выступающих в роли активаторов или ингибиторов митоКАТФ [49]. Среди рассматриваемых активаторов канала можно назвать диазоксид и никорандил, среди ингибиторов - 5-HD, МСС-134 и глибенкламид. Модуляторы митохондриального и цитоплазматического калиевых каналов представлены в таблице 1. Как следует из таблицы, многие вещества оказывают модулирующее влияние не только на митоКАТФ, но и на цитоКАТФ, что позволяет рассматривать митоКАТФ как изоформу цитоКАТФ. Во многих исследованиях показано, что селективность действия модулятора зависит прежде всего от используемых концентраций, а также от типа изучаемых клеток и условий эксперимента. Диазоксид и никорандил, например, активируют митоКАТФ, но в более высоких концентрациях также активируют и калиевые каналы цитоплазматической мембраны цитоКАТФ [40, 51]. 5-HD помимо митоКАТФ ингибирует при низких значениях рН цитоКАТФ. Активация митоКАТФ играет существенную роль в защите миокарда при ишемии. Найден целый ряд синтетических активаторов митоКАТФ, являющихся потенциальными кардиопротекторами. Обнаружен эффективный природный метаболический активатор митоКАТФ - уридин-5’-дифосфат (УДФ) [13]. Показано, что и другие дифосфонуклеотиды (АДФ, ГДФ) являются активаторами канала, но наиболее выраженный эффект вызывает уридиндифосфат (УДФ) [48]. Этот фосфонуклеотид активирует митоКАТФ-канал в микромолярных концентрациях. В качестве веществ, предупреждающих развитие гипоксии, были изучены предшественники УДФ - уридин и УМФ. На модели инфаркта миокарда крыс эти вещества значительно снижают зону инфаркта, нормализуют уровень АТФ, креатинфосфата и систем антиокислительной защиты, уменьшают образование АФК, а также нормализуют ритм сердечных сокращений. Положительные эффекты уридина и УМФ нивелируются предварительным введением ингибиторов митоКАТФ, таких как глибенкламид, что подтверждает существенную роль этого канала в защите сердца от ишемии [32]. Функцию метаболических регуляторов митохондриального калиевого канала могут выполнять некоторые гормоны. Например, половые гормоны β-эстрадиол и тестостерон оказывают активирующее действие на митоКАТФ-канал, в то время как прогестерон ингибирует его канальную субъединицу. Женский половой гормон β-эстрадиол активирует митоКАТФ и обладает кардиопротекторным действием, которое снимается 5-НD [53]. Мужской половой гормон тестостерон также оказывал как активирующее митоКАТФ, так и кардиопротекторное действие [42]. Известно, что кратковременные повторяющиеся эпизоды гипоксии или ишемии вызывают эффект физического прекондиционирования (долгосрочная адаптация к воздействию экстремального фактора). Фармакологическое открытие митоКАТФ-канала практически имитирует эффект физического прекондиционирования, вызываемый кратковременными сублетальными по интенсивности эпизодами ишемии, что дает возможность проводить фармакологическое прекондиционирование путем таргетного воздействия на митоКАТФ. В ряде работ показано, что эритропоэтин и резвератрол могут выступать в качестве средств, вызывающих развитие феномена прекондиционирования, осуществляя реализацию естественных механизмов защиты от ишемии за счет активации АТФ-зависимых калиевых каналов и биосинтеза оксида азота. Так, в экспериментах на крысах введение рекомбинантного эритропоэтина и резвератрола достоверно уменьшало распространенность зоны некроза миокарда левого желудочка на модели коронароокклюзионного инфаркта миокарда. Предварительная блокада АТФ-зависимых калиевых каналов глибенкламидом, неселективная блокада NO-синтазы с помощью L-NAME и селективная блокада индуцибельной NO-синтазы с помощью аминогуанидина нивелировала эффекты рекомбинантного эритропоэтина и резвератрола [2, 7]. Заключение В механизмах адаптации организма к состояниям гипоксии и ишемии важнейшую роль играют митохондриальные регуляторные факторы. Функциональные и структурные изменения в клетках тканей организма в условиях гипоксии и ишемии, как и судьба самих клеток, напрямую зависят от функциональной активности митохондрий и их белковых регуляторных факторов [25, 35]. Анализ литературы показал, что в сложной системе клеточной регуляции процессов адаптации к воздействию гипоксии и ишемии самое активное участие принимает митохондриальный АТФ-зависимый калиевый канал. Этот регуляторный митохондриальный фактор тесно функционально взаимосвязан с другими сигнальными путями регуляции ключевых функций клетки, таких как рост, выживаемость, апоптоз, и участвует в реализации компенсаторно-адаптационных реакций клетки на гипоксию. Современный уровень знаний патофизиологических и патобиохимических процессов, индуцируемых гипоксией непосредственно в клетке и ее органеллах, позволяет проводить патогенетическую коррекцию метаболических и функциональных изменений на уровне субклеточных структур, предупреждая развитие органных и системных нарушений и, как следствие, развитие многих заболеваний [16, 29, 30, 34]. Митохондриальный АТФ-зависимый калиевый канал можно рассматривать в качестве специфической мишени для фармакологического воздействия. Его активация является одним из начальных этапов в процессе адаптации клетки и всего организма к гипоксии [44, 49]. В экспериментальных и клинических исследованиях обнаружен ряд модуляторов канала, способных изменять его активность. В связи с этим существует перспектива использования фармакологических модуляторов митохондриального калиевого канала для повышения адаптации организма к гипоксическому состоянию, что особенно актуально при ишемических заболеваниях. Такой подход открывает новое направление поиска эффективных лекарственных средств регулирования процессов срочной и долговременной адаптации организма к гипоксии и ишемии [23, 56]. Однако следует учитывать, что лекарственные вещества, используемые в качестве антигипоксантов, в том числе фармакологические модуляторы митохондриального калиевого канала, в зависимости от дозы и схемы применения могут по-разному влиять на активность митохондриальных регуляторных факторов [9, 22]. При определенных условиях их применение дает эффект фармакологического прекондиционирования и повышает резистентность организма к последующему гипоксическому воздействию.

About the authors

Elena V Pogilova

Smolensk State Medical University

Email: nau@sgma.info
Postgraduate Fellow, Dept. of Pharmacology

Vasiliy E Novikov

Smolensk State Medical University

Email: nau@sgma.info
Doctor of Medical Sciences, professor, Head of the Department of Pharmacology

Olga S Levchenkova

Smolensk State Medical University

Email: os.levchenkova@gmail.com
PhD (Pharmacology), Senior Lecturer, Dept. of Pharmacology

References