1 Влияние фармакологических препаратов на митохондрии | Медицина Российской Федерации
26.05.2013

Влияние фармакологических препаратов на митохондрии

Актуальность. Митохондрии играют центральную роль в энергетическом метаболизме клетки. Дисфункция митохондрий вызывает нейродегенеративные заболевания и «митохондриальные болезни». Митохондрии играют ключевую роль в апоптозе и кардиопротекции.

Целью данной работы является представление современных данных о действии фармакологических препаратов на митохондрии. Рассмотрены противоопухолевые препараты, иммуносупрессанты и противовирусные препараты, открыватели К+ каналов, анестетики. Идентификация этих эффектов поможет изучить действие существующих препаратов и открыть новые.

Среди лекарственных препаратов, действующих на митохондрии, выделяют
1) препараты специально созданные для действия на митохондрии и
2) препараты, действие на митохондрии которых является побочным.

Идентификация препаратов, действующих на митохондрии, позволит лучше изучить их действие и создать новые препараты с заданными свойствами. Выявление побочных эффектов лекарственных препаратов на митохондрии позволит минимизировать эти эффекты.

    Митохондрии и клетка

Количество митохондрий в клетке определяется ее потребностью в энергии. Соматические клетки содержат от нескольких десятков до нескольких тысяч митохондрий. Сперматозоиды человека содержат 16 митохондрий, а ооциты до 100 тыс. Метаболически активные органы (скелетная мускулатура, печень, мозг, сердце) содержат большое число митохондрий, поэтому чувствительны к препаратам, нарушающим их функцию.

В клетках млекопитающих 80—90 % АТФ синтезируется митохондриями. Дыхательная цепь содержит энзимы и низкомолекулярные коферменты, транспортирующие «восстановительные эквиваленты». Электроны и протоны направляются на молекулярный кислород в соответствии с их редокс-потенциалом. Ток электронов и протонов образует три каскада, в котором энергия восстановителя используется для переноса протонов из матрикса в межмембранное пространство. Образуемый протонный градиент (Δp) является источником энергии для АТФ-синтазного комплекса. Этот градиент состоит из электрического компонента   (Δψ)  и градиента концентрации протонов. В результате трансмембранный потенциал достигает 180 мВ, а pH в матриксе равен 8. Поэтому в матриксе могут накапливаться катионы. Между митохондриями и цитоплазмой существует постоянный обмен неорганических ионов и метаболитов. Из-за наличия поринов или вольтаж-зависимых анионных каналов (VDAC) наружная мембрана митохондрий проницаема для полярных молекул менее 5 кДа. Внутренняя мембрана проницаема для воды, О2, CO2 и NН3. Другие гидрофильные молекулы переносятся через внутреннюю мембрану посредством специфических транспортеров. Важное значение имеют переносчики фосфата (Pi), АДФ и АТФ, моно-, ди- и трикарбоновые кислоты. Большинство транспортеров являются обменниками, например, АДФ обменивается на АТФ, Pi на OH- дикарбоновые анионы на Pi и т. д. В митохондриях идентифицированы селективные каналы для K+, Na+, Mg2+ и  Ca2+. Для апоптоза значение имеют K+ -каналы. Для поддержания мембранного потенциала и объема митохондрии — селективные обменники K+/H+, Ca2+/H+ и Ca2+/Na+. Менее изучены ионные каналы внутренней мембраны митохондрий.

Многие липофильные вещества свободно проникают через внутреннюю мембрану, например, жирные кислоты. Недиссоциированные длинноцепочечные жирные кислоты пересекают мембрану механизмом «флип-флоп», что имеет значение для протонофорного действия жирных кислот. Напротив, пересечение ионизированных жирных кислот происходит медленно. Однако, внутреннюю мембрану митохондрий анионы жирных кислот пересекают посредством неспецифических анионных транспортеров. Многие липофильные и амфифильные лекарственные препараты хорошо проникают в митохондрии. Внутренняя и наружная мембраны митохондрий содержат разные наборы энзимов, а в местах контактов идентифицированы общие для обеих мембран структуры.

Митохондрии содержат циклическую ДНК, кодирующую около 20 белков комплексов дыхательной цепи. Однако большинство митохондриальных протеинов кодируются ядерной ДНК.
Бо́льшая часть молекулярного кислорода идет на образование воды, а небольшая его часть — на образование реактивных видов кислорода (ROS): супероксида (O2) перекиси водорода (H2O2) и гидроксильного радикала (HO). Образование ROS осуществляется в комплексе IIIи обусловлено циркуляцией протонов между убихиноном, цитохромами b и c1, а также железосерными протеинам. Некоторое количество ROS поставляет комплекс I. ROS нейтрализуются каталазой, пероксидазами и супроксиддисмутазой. Накопление ROS вызывают апоптоз.

Фармакологические агенты влияют на внутримитохондриальные процессы или транспортные пути, соединяющие митохондрии и цитозоль .

    Митохондрии в апоптозе,  индуцированном химиопрепаратами

Апоптоз обеспечивает элиминацию отдельных клеток многоклеточного организма. Апоптоз наблюдается при эмбриогенезе, метаморфозе, росте и созревании отдельных органов. Фармакологические агенты, действующие на митохондрии, могут модулировать апоптоз клеток, что может использоваться в лечении опухолей .

Митохондриальный путь апоптоза

Существуют два независимых пути, вызывающих апоптоз. Первый включает активацию мембранных «рецепторов смерти», второй — митохондриальный. В последнем случае апоптоз включается при выходе цитохрома c из митохондрий. Другой митохондриальный протеин, апоптоз-индуцирующий фактор, выходит в цитозоль, где активирует каскад событий, активирующих каспазы . Высвобождению цитохрома c из митохондрий предшествует их набухание и разрушение внешней мембраны. По другим данным, высвобождение цитохрома c не связано с повреждением внешней мембраны митохондрий. В этом случае решающее значение имеют митохондриальные транзиторные поры (PTP) и проапоптозный протеин Bax . PTP локализуется в контактных сайтах между внутренней и внешней мембраной митохондрий. Открытые PTP свободно проводят низкомолекулярные молекулы (менее 1,5 кДа) из матрикса митохондрий в цитоплазму. PTP содержат порин, адениннуклеотидтранслоказу и циклофилин D. PTP открываются ионами Ca2+, снижением митохондриального трансмембранного потенциала и прооксидантами PTP самостоятельно не пропускает цитохром c (13 кДа). Однако цитохром cвзаимодействует с протеином Bax и формирует канал для цитохрома c и апоптоз-индуцирующего фактора. Открытие поры блокируется антиапоптозным протеином Bcl-2. Таким образом, баланс между двумя протеинами определят судьбу клетки. Этот баланс может модулироваться фармакологическими препаратами.

Митохондрии как мишени для контроля над апоптозом.

Во время апоптоза в цитозоле повышается [Ca2+]. Блокатор Ca2+ - АТФазы эндоплазматического ретикулума тапсигаргин  вызывает апоптоз интактных клеток Тапсигаргин-индуцированный апоптоз предотвращается ингибитором PTP циклоспорином A. ROS также индуцируют апоптоз. Избыток продукции ROS активируется ксенобиотиками, ионами переходных металлов, ионизирующей радиацией  ROS открывают PTP  и таким образом вызывают апоптоз. Возможно, что ROS разрушают внешнюю мембрану митохондрий и высвобождают цитохром c. УФ-индуцированный апоптоз предотвращается антиоксидантом глутатионом. Это наблюдение указывает, что УФ-излучение инициирует апоптоз, действуя на митохондрии, а не геном. Ионизирующее излучение (рентгеновские лучи, γ-излучение) используется для лечения рака через индукцию апоптоза опухолевых клеток. Поскольку ионизирующее излучение обладает большой энергией, то апоптоз в этом случае обусловлен действием на митохондрии и на ДНК. Поскольку открытие PTP снижает Δψ, то агенты,снижающие мембранные потенциал митохондрий являются проапоптогенными.

Противоопухолевые препараты как индукторы  апоптоза

Многие противоопухолевые препараты индуцируют апоптоз злокачественных клеток через активацию пути цитохром c/каспазы-9. Так, этопозид, доксорубицин, 1-β-D-арабинофуранозилцитозин, лонидамин, бетулиновая кислота, арсенит, CD437 и некоторые амфифильные катионные α-спиральные пептиды  индуцируют апоптоз злокачественных клеток через активацию PTP. Проапоптозное действие этих веществ, например,лонидамина(предотвращается циклоспорином A (CsA) через гиперэкспрессию антиапоптозного протеина Bcl-2.
Адриамицин (доксорубицин) — потенциальный противоопухолевый агент. Однако это вещество токсично для сердца, почек и нервной системы. Токсический эффект предотвращается антиоксидантами, это подтверждает предположение, что Адриамицин и др. хиноидные  антрациклины  повышают продукцию ROS .

Препараты против рака простаты производные гидроксамовой кислоты, цис-1-гидрокси-4-(1-нафтил)-6-октилпиперидин-2-он (BMD188) также являются проапоптозными агентами. Возможно, эти вещества высвобождают цитохром c и повышают продукцию ROS.Синтезированы спиральные амфипатические пептиды содержат катионные аминокислоты и поэтому тропны к анионным фосфолипидам внутренней мембране митохондрий  (и цитоплазматической мембране прокариот) . Эти пептиды нарушают целостность мембраны, что проявляется набуханием митохондрий и клеток прокариот. Затем эти пептиды присоединили с короткими пептидами тропными к ангиогенным эндотелиоцитам и некоторым линиям злокачественных клеток. Такие гибридные пептиды встраивались в цитозоль  ангиогенных  эндотелиоцитов и опухолевых клеток, а их спиральные мотивы связывались с митохондриями, что приводило к  набуханию этих органелл и апоптозу. Аналогичные результаты получены на клетках линии рака груди человека имплантированных мышам.

    Митохондрии и оксидативный стресс, старение, дегенеративные болезни

Митохондрии — главный источник супероксида и других ROS. Продуцентами митохондриальных ROS являются комплексы I и III и моноаминооксидаза. Повреждающее действие ROS ограничивают митохондриальная MnSOD, цитозольная CuZnSOD и глутатионпероксидаза. Однако, при ишемии-реперфузии, действии некоторых ксенобиотиков, воспалении, старении, действии УФ и ионизирующей радиации, дефиците антиоксидантов, ROS могут реализовать свой повреждающий потенциал. При старении, производство ROS митохондриями возрастает. Митохондрии являются не только главным сайтом производства ROS, но и главной мишенью. Поэтому нарушение нейтрализации ROS в митохондриях запускает порочный круг, ведущий к апоптозу  поврежденных клеток.

Одной из мер по защите митохондрий является повышение содержания в клетке глутатиона. Этого можно достичь при помощи предшественника глутатиона N-ацетилцистеина, который сам является антиоксидантом. Повышение содержания CoA можно достичь при помощи пантотеновой кислоты, которая повышает содержание глутатиона. Содержание глутатиона в клетке повышают куркумин, желтый пигментом специи карри и анальгетик флупиртин. Эти вещества защищают митохондрии от ROS.Внутриклеточными антиоксидантами также являются аскорбиновая кислота, α-токоферол, β-каротин  и α-липоевая кислота .
Убихинол, восстановленная форма коэнзима Q, является естественным антиоксидантом митохондриальной и клеточной мембран . Редокс-пара убихинон/убихинол играет ключевую роль в дыхательной цепи митохондрий, обеспечивая связь между комплексами I, II и III. Возможно, что убихинон и убихинол является потенциальным агентом, задерживающим старение. Коэнзим Q снижает симптомы болезни Альцгеймера, Хантингтона и Паркинсона, возможно через нейтрализацию ROS в центральной нервной системе.

Применение убихинола как антиоксиданта затруднено тем, что его активность определяется специфическим окружением в дыхательной цепи. Возможно, что убихинол восстанавливает окисленные формы аскорбиновой кислоты и  β -каротина.

Murphy с соавт. ковалентно соединили антиоксидант с липофильным катионом трифенилфосфона. Это привело к накоплению вещества в митохондриях в соотношении 104:1 (внутри и снаружи). Антиоксидантом выступали витамин E, убихинол и производные фуллерена. Тетрафенилфосфон соединенный с витамином E обладал мощным протективным эффектом против повреждения изолированных митохондрий системой генерирующей гидроксильные радикалы .

Неопиатный анальгетик флупиртин (производное фтор-содержащего триаминопиридина) является эффективным антиоксидантом для митохондрий. Флупиртин предотвращал ROS-индуцированный апоптоз в культуре клеток  и защищал сетчатку кролика от ишемического повреждения. Эффективным путем снижения продукции ROS митохондриями является разобщение окисления и фосфорилирования. Этого можно достичь посредством повышения проницаемости мембраны митохондрий для K+ и H+ через открытие митохондриальных K+-каналов  или разобщающих протеинов .

    Взаимодействия открывателей K+ - каналов с митохондриями

Открыватели K+ - каналов (KCOs) повышают проницаемость мембраны для K+. KCOs являются кромакалим, никорандил и диазоксид. KCOs действуют на два типа каналов: АТФ-регулируемые K+- каналы ( KАТФ -каналы) и Ca2+ активируемые K+- каналы (BK-каналы). Обнаружены антиангинальные и гипотензивные эффекты KCOs. Позже были выявлены их антиастматические и кардиопротективные свойства. Доклинические и клинические испытания подтвердили их эффективность в терапии легочной  и сосудистой гипертензии, а также при гиперактивном мочевом пузыре. Рецепторы KCOs обнаружены на цитоплазматической мембране, саркоплазматическом ретикулуме, везикулах и митохондриях. KCOs обладают кардиопротективным эффектом благодаря действию на митохондрии . KCOs также обладают антиишемическим действием .  

Открыватели K+ - каналов и K+ - каналы митохондрий

Во внутренней мембране митохондрий печени крысы и сердца быка обнаружены KАТФ-каналы (митоKАТФ). МитоKАТФ блокируются производными сульфонилмочевины. KCOs повышают ток K+ и вызывают деполяризацию мембраны митохондрий гепатоцитов RP66471. KCOs повышают приток K+ в митохондрии. АТФ-ингибированный ток К+ восстанавливается диазоксидом, кромакалимом и его аналогами EMD60480 и EMD57970. KCOs пинацидил, кромакалим и левкромакалим деполяризуют митохондрии кардиомиоцитов. Диазоксид также ингибирует комплекс II в митохондриях печени. KCO митоKАТФ BMS-191095 не является периферическим вазодилятатором. KCOs играют важную роль в кардиопротекции, поскольку митоKАТФ-каналы в 1000 раз более чувствительны к диазоксиду, чем KАТФ -каналы цитоплазматической мембраны .
МитоKАТФ -каналы в кардиопротекции

KCOs имитируют ишемическую предподготовку сердца, а блокаторы KАТФ -каналов (глибенкламид, 5-гидроксидекановая кислота) снижают положительный эффект кратковременной ишемии сердца. Диазоксид индуцирует окисление митохондриальных флавопротеинов через активацию митоKАТФ - каналов, но не KАТФ-каналов цитоплазматической мембраны. Эффекты диазоксида полностью и обратимо блокируются 5-гидроксидекановой кислотой. Форбол-12-миристат-13-ацетат потенцирует эффект диазоксида.KCOs пинацидил, кромакалим и никорандил модулируют мембранный потенциал митохондрий, активность дыхательной цепи, продукцию АТФ и захват Ca2+ митохондриями. Возможно диазоксид индуцирует транслокацию протеинкиназы Cδ в митохондрии, что важно для митоKАТФ -медиируемой кардиопротекции. Также возможно, что диазоксид обеспечивает свой кардиопротективный эффект через взаимодействие с актином. Диазоксид также эффективен для сохранения охлажденного ишемизированного сердца при пересадке.

Механизм протективного действия открывателей K+-каналов :

Во-первых, открытие митоKАТФ -каналов повышает продукцию АТФ.
Фактически, диазоксид сохраняет функцию митохондрий в ишемизированном сердце крысы. Гипоксия снижает потребление O2 митохондриями до 40 % исходного уровня. Диазоксид сохраняет потребление O2 митохондриями при гипоксии. Диазоксид повышает продукцию АТФ.

Во-вторых, диазоксид снижает накопление Ca2+ в митохондриях.

В-третьих, открытие митоKАТФ -каналов повышает продукцию ROS.

ROS активируют протеинкиназу C и усиливают кардиопротекцию. МитоKАТФ -каналы задерживают предподготовку и предотвращают апоптоз, возможно, через повышение экспрессии Bcl-2 и Bcl-XL .

    Иммуносупрессанты и митохондрии

Циклоспорин A (CsA) обладает иммуносупрессивными свойствами, поскольку блокирует транскрипцию генов цитокинов активированными T-клетками. CsA образует комплекс с циклофилином D, ингибируя его пептидилпролил-цис-транс-изомеразную активность. Комплекс CsA—циклофилин  ингибируется  кальцинейрином  Кальцинейрин— Ca2+ и кальмодулин-зависимая серин/треонин-фосфатаза (протеинфосфатаза 2B) регулируетядерную транслокацию фактора транскрипции NFAT в активированных T-клетках.Предотвращение дефосфорилирования NFAT блокирует продукцию цитокинов. CsA блокирует стресс-активируемую протеинкиназу JNK (c-jun NH2-терминальная киназа) и митоген-активируемую протеинкиназу p38. Побочными эффектами применения CsA являются гипертензия и токсичность для почек и мышц  вследствие продукции ROS .

CsA блокирует открытие PTP . Этот эффект не зависит от ингибирования кальцинейрина и иммуносупрессивного действия CsA, поскольку N-метил-Val-4-Cs лишен иммуносупрессивных свойств, но блокирует PTP. Блокада PTP лежит в основе защитных эффектов CsA при ишемии и ишемии/реперфузии, например при ишемическом и травматическом повреждении мозга (TBI).Применение CsA после TBI существенно улучшал нарушенное долговременное потенцирование в синапсах CA3-CA1 гиппокампа.CsA предотвращал повреждение кардиомиоцитов вызванное реоксигенацией и ингибировал пальмитат-индуцированный апоптоз кардиомиоцитов. По-видимому, CsA через ингибирование PTP предотвращает некроз клеток от оксидативного стресса, токсичности Ca2+- ионофоров, повреждающего действия pH при ишемии/реперфузии. Способность CsA ингибировать PTP может использоваться для сохранения тканей при нормотермической трансплантации .

    Нарушение функций митохондрий противовирусными препаратами

Митохондрии являются мишенями для противовирусных производных нуклеотидов. Зидовудин (AZT) ингибирует репликацию вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) и замедляет прогрессирование СПИДа. AZT нарушает метаболизм митохондрий сердца и вызывает кардиомиопатию. AZT ингибирует активность энзимов дыхательной цепи и нарушает их синтез.У молодых крыс AZT быстро вызывает кардиомиопатию . AZT повышает продукцию ROS и пероксинитрита в сердце и вызывает разрывы цепи ДНК, вызывает накопление липопероксидов и карбонилов белков и AZT снижает отношение АТФ/АДФ в митохондриях сердца крыс со 340 до 90. У пациентов со СПИДом главной причиной кардиомиопатии при лечении AZT могут быть ROS. AZT конкурентно ингибирует АТФ/АДФ-антипорт в изолированных митохондриях сердца крыс. Однако, AZT не влиял на активность дикарбоксилатного, оксодикарбоксилатного и трикарбоксилатного транспортеров.

Мембранный потенциал митохондрий у крыс, получавших AZT, был аналогичен потенциалу в интактных митохондриях, инкубируемых в среде содержащей AZT. AZT конкурентно ингибирует нуклеотиддифосфаткиназу, что предотвращается высокими концентрациями ГТФ.

AZT вызывает оксидативное повреждение митоДНК в мышцах  и печени. МитоДНК печени у мышей, получавших AZT содержала более 40% 8-оксо-7,8-дигидрокси-2'-дезоксигуанозина, чем контрольная митоДНК. У крыс, получавших AZT повышенуровень делеций митоДНК в митохондриях мышц. AZT снижал активность цитохромоксидазы и нарушал синтез тяжелых цепей миозина (MHC) α и β, что нарушало сократимость сердца с развитием миопатии .

В клетках гепатомы человека, AZT повышал уровни лактата, снижал активность цитохромоксидазы и цитратсинтазы .

Противоретровирусный препарат 2',3'-дидезоксицитидин (ddC, зальцитабин) у молодых крыс быстро нарушал функцию сердца, повышал продукцию ROS в скелетных миоцитах, снижал содержание в сердце белка теплового шока (HSP) 70.

    Нестероидные противовоспалительные препараты и митохондрии

Нестероидные противовоспалительные препараты (NSAIDs) аспирин и ибупрофен подавляют воспаление и боль. NSAIDs ингибируют циклооксигеназу, что снижает продукцию простагландинов  и снижают риск рака толстой кишки. Принимая во внимание, что NSAIDs могут вызвать язву желудка, перфорацию и кровотечение, предложен возможный механизм повреждения митохондрий в очаге воспаления через остановку клеточного цикла и индукцию апоптоза. NSAIDs разобщают окисление и фосфорилирование, снижают продукцию АТФ, ингибируют адениннуклеотидтранслоказу и вызывают диссипацию трансмембранного потенциала митохондрий. Эти эффекты вызывают диклофенак, дифлунисал, мефенамовая кислота, толфенамовая кислота, флуфенамовая кислота и пироксикам в микромолярных концентрациях, а также салициловая кислота, ацетилсалициловая кислота и дипирон в милимолярных концентрациях.

Разобщающий эффект салициловой кислоты и аспирина частично обусловлен индукцией PTP в присутствии Ca2+, а этот эффект ингибируется Mg2+ и CsA Другие NSAIDs открывают PTP, что также блокируется CsA, АТФ, АДФ и рутением красным.

Множественные эффекты NSAIDs показаны. NSAIDs ингибируют β-окисление жирных кислот .

Местные анестетики блокируют потенциал действия чувствительных нейронов. Большинство местных анестетиков являются третичными аминами, поэтому проявляют липофильные свойства и являются разобщителями окислительного фосфорилирования. Местные анестетики блокируют митохондриальную АТФазу  и энзимы дыхательной цепи. Местные анестетики ингибируют транспорт ионов в митохондриях, адениннуклеотидтранслоказу, метаболическую активность и фосфолипазы. Примечательно, что в низких концентрациях дибукаин активирует, а бутакаин ингибирует фосфолипазу A2, однако в высоких концентрациях дибукаин ингибирует, а бутакаин активирует фосфолипазу A2. Сообщалось, что нуперкаин (дибукаин) защищает систему сопряжения окисления и фосфорилирования в митохондриях, что очевидно обусловлено ингибированием фосфолипазы A2. Позже было показано, что местные анестетики являются разобщителями, поскольку являются липофильными протонофорами. Ропивакаин  и бупивакаин  ингибирует транспорт электронов в комплексах I и II, что снижает синтез АТФ и вызывает деполяризацию митохондриальной мембраны. Дибукаин ингибирует набухание митохондрий и окисление тиоловых групп мембранных белков, ассоциированное с активацией PTP.Дибукаин также ингибирует Ca2+ - индуцированную генерацию ROS в митохондриях, что, по-видимому, обусловлено ингибированием PTP. Дибукаин ингибирует рост и дифференцировку промиелоцитов в гранулоциты при лейкозе. В высоких концентрациях дибукаин индуцирует фрагментацию ДНК характерную для апоптоза, что полностью блокируется неспецифическим ингибитором каспаз z-Val-Ala-Asp-(OMe)-фторметилкетоном. Дибукаин активирует каспазу-3, -6, -8 и -9, но не каспазу-1, индуцирует деполяризацию мембраны митохондрий, стимулирует выход цитохорома  c  в цитозоль.

Таким образом, результатом влияния фармакологических препаратов на митохондрии является:

-модуляция апоптоза  (противоопухолевые препараты)
-активация энергетических процессов  в клетке - защитные эффекты (открыватели K+-каналов)
-ингибирование энергетических процессов - повреждение и гибель клеток (иммуносупрессанты, противовирусных препараты,  нестероидные противовоспалительные препараты, анестетики)

Литература:
ADAM SZEWCZYK AND LECH WOJTCZAK - Mitochondria as a Pharmacological Target
.

Источник:  Маилянц Диана Гарриевна (5 курс, лечебный факультет) УО «Белорусский государственный медицинский университет», г. Минск

Возврат к списку

1


Ближайшие мероприятия

×
×