Preview

Кубанский научный медицинский вестник

Расширенный поиск

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ МИТОХОНДРИИ В ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ ЦИКЛЕ

https://doi.org/10.25207/1608-6228-2018-25-5-123-135

Полный текст:

Аннотация

Цель. Выявить возможные физиологические и патогенетические процессы, протекающие в матриксе митохондрии, которые создают условия для литогенеза нерастворимых солей фосфата кальция (карбоната кальция…), способные в дальнейшем откладываться в различных тканях, с учетом того, что в организме человека образование фосфата кальция (карбоната кальция…) встречается и при нормальных физиологических условиях (костная ткань, отолит…), что повышает актуальность вопроса понимания физиологических и патогенетических механизмов литогенеза.

Материалы и методы. Проведен мета-анализ функциональных состояний митохондрии, к которым применена математическая модель, основанная на меняющейся направленности и скорости термодинамических и электрохимических параметров (давление, объем, температура, энтропия, потенциал Гиббса, эксергия…), сопряженных между собой. Учитывая схемы окислительного фосфорилирования, предложенные Р.Mitchell и R.Williams, создана модель термодинамического и электрохимического цикла митохондрии, которая позволяет глубже понять первоосновы механизмов протекающих в системе митохондреальный матрикс – внутренняя мембрана – межмембранное пространство.

Результаты. Основываясь на фундаментальном принципе функционального взаимодействия, предложены 4 функциональных состояния митохондрий (М) в термодинамическом и электрохимическом (ТД-ЭХ) цикле, к которому создана математическая модель, позволяющая систематизировать процессы, сопровождающиеся накоплением электрохимического потенциала, то есть, разделением заряда (ионизацией) в парамембранном пространстве. При этом с одной стороны внутренней мембраны (митохондриальное межмембранное пространство) возникает преобладание положительного заряда, а с другой стороны (митохондриальный матрикс) – отрицательного. Эти процессы, ввиду отталкивания одноименных зарядов, приводят к повышению давления как в митохондриальном матриксе, так и в межмембранном пространстве. В этом смысле направленность электрохимических процессов протекающих во внутриматричной и межмембранной среде с позиции физической термодинамики подобна процессам протекающим в сжимаемом ионизированном газе (плазме).

Рассмотрены состояния митохондрии, когда в толще её внутренней мембраны изменяется скорость движения электронов по дыхательной цепи, сопряженной с изменением теплового потенциала. Для среды внутри матрикса, представляющего из себя ультрамикрогетерогенную дисперсную массу, используя термодинамическую аналогию с ионизированным газом, под тепловым потенциалом (Ǫ) мы подразумеваем произведение давления (Р) на объем (V): Ǫ = PV. Основываясь на математической модели термодинамического поведения митохондрии, и, исходя из ограничений, накладываемых законами физической и химической термодинамики, установлено, что наибольшей степени термодинамического совершенства в процессе митохондреального дыхания соответствует состояние «дыхательного контроля», которое по принятой в работе классификации функциональных состояний (functional states) вполне логичным, допустимо считать основным (базовым, первым), то есть F– I.

Иерархия гомеостатической системы митохондрии выстраивается по степени и скорости потребления энергии, которая постоянно переключается (колеблется…) в силу того, что жизнь есть следствие устойчиво неравновесного состояния особых молекул, поскольку живые системы никогда не бывают в равновесии и, за счет своей свободной энергии Гиббса (G), исполняют постоянную работу против равновесия при заданных внешних условиях

Существует физиологический «баланс» между различными функциональными состояниями, конкурирующими за митохондреальные энергоресурсы: 1) непроизвольным (потенциал Гиббса G>0) эндергоническим процессом фосфорилирования, который запускает АТФ-синтазу, и сопровождается охлаждением; и 2) самопроизвольным 124Кубанский научный медицинский вестник 2018; 25 (5) (потенциал Гиббса G<0) экзергоническим процессом, повышающим температуру внешней среды. Патофизиологическая «разбалансировка» этих механизмов, в которых чередуются условия для образования водорастворимой соли дигидрата фосфата кальция − Са(H2 PO4 )2 и плохо растворимого гидрофосфата кальция − СаHPO4 , может явиться патогенетической причиной возникновения распространнеых заболеваний (нефролитиаз, остеохондроз, атеросклероз…).

Заключение. В термодинамическом и электрохимическом цикле митохондриальной системы (матрикс – внутренняя мембрана – межмембранное пространство) важное значение имеет направленность и скорость физиологических фукциональных переменных, которые определяют наличие и величину первичных физиологических потребностей. В многомерном пространстве физиологических функциональных переменных существует люфт функциональности – это область изменения параметров, пределы которой распределяются по Гауссу и являются оптимальными для режима обитания во внешней среде, каковой является цитоплазма по отношению к митохондрии. Выход за пределы люфта функциональности способствует термодинамическим и электрохимическим адаптационным изменениям в самой митохондреальной системе, стремящейся к возвращению в состояние термодинамического «покоя», при этом митохондрия совершает циклический процесс.

Опираясь на то, что фундаментальный принцип функциональной целесообразности, устанавливает главенство максимального времени пребывания любой живой системы в определеных («нормативных», «допустимых»…) пределах люфта функциональности, колебания которых обусловлены меняющимися внешними условиями и внутренними потребностями, выражаем увереность в том, что с учетом ограничений, накладываемых законами физической и химической термодинамики, наибольшая степень термодинамического совершенства процесса митохондреального дыхания в термодинамическом и электрохимическом цикле осуществляется в состоянии дыхательного контроля (F– I), которому соответсвует максимальная энтропия (S) и минимальная энергия Гиббса (G). В термодинамическом и электрохимическом цикле могут возникать условия, которые включают адаптационные биохимические изменения, способствующие тому, что в матриксе митохондрии может накапливаться Са2+, и этим самым подтверждается прямая зависимость кальциевой емкости матрикса (calcium retention capacity) от скорости дыхания митохондрий. При этом в матриксе митохондрии происходит накопление значительного количества Са2+, который вкупе с гидрофосфатом трансформируется в дифосфат кальция − Ca3(PO4)2, имеющий крайне низкую степень растворимости в воде. Это может явиться первозданным механизмом литогенеза, с последующим отложением солей фосфата кальция в различных тканях, вызывая на органном уровне заболевания, в патогенезе которых общим является нарушение энергетического метаболизма! 

Об авторах

С. Н. Алексеенко
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации
Россия
ул. Седина, д. 4, Краснодар, 350063


А. С. Татевосян
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации
Россия
ул. Седина, д. 4, Краснодар, 350063


А. В. Бунякин
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный университет»
Россия
ул. Ставропольская, д. 149, Краснодар, 350040


В. Г. Золотухина
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный университет»
Россия
ул. Ставропольская, д. 149, Краснодар, 350040


Р. Г. Казаров
Государственное бюджетное учреждение здравоохранения «Краевой клинический госпиталь для ветеранов войн им. проф. В. К. Красовитова» Минздрава Краснодарского края
Россия
ул. Кирова, д. 9, Краснодар, 350075


Список литературы

1. Mitchell P. Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism. Nature. 1961; 191: 144-148.

2. Williams R.J. Possible functions of chains of catalysts. J. Theor. Biol. 1961; 1: 1-17.

3. Николаев А.Я. Биологическая химия. Москва: МИА; 2001. 495 с.

4. Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. Биокинетика. Москва: Фаир-пресс; 1999: 716 с.

5. Chance B. et al Respiratory Enzymes in Oxidative Phosphorylation V. a Mechanism for Oxidative Phosphorylation. J. Biol. Chem. 1955; 217(1): 439-452.

6. Halestrap A.P., Quinlan P.T., Whipp D.E., Armston A.E. Regulation of the mitochondrial matrix volume in vivo and in vitro. The role of calcium. Biochem. J. 1986; 236: 779-788.

7. Skulachev V.P. Fatty acid circuit as a physiological mechanism of uncoupling of oxidative phosphorylation. FEBS Lett. 1991; 294(3): 158-162.

8. Геннис Р. Биомембраны. Молекулярная структура и функции. Москва: Мир; 1997. 622 с.

9. Румер Ю.Б., Рывкин М.Ш. Термодинамика, статистическая физика и кинетика. 2-е изд., испр. и доп. Новосибирск: Изд-во Носибирского университета; 2000. 608 с.

10. Carnot S. Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance. Paris: Gauthier-Villars, Imprimeur-Libraire; 1878. 102 p.

11. Ник Лэйн. Энергия, секс и самоубийство. Митохондрия и смысл жизни. Москва: Санкт-Петербург: Питер; 2016. 367 с.

12. Мюнстер А. Химическая термодинамика. Москва; УРСС: 2002: 295 с.

13. Слесарев В.И. Химия. Основы химии живого. Санкт-Петербург: Химиздат; 2015,: 783 с.

14. Скоробогатова Ю.А. О специфическом функциональном состоянии фосфорилирующей системы, функционирующей в режиме суперкомплекса. Москва: Магистерская диссертация; 2014. 40 с.

15. Юрков В.И., Фадеева М.С., Ягужинский Л.С. Перенос протона через межфазные границы мембрана – вода в разобщенных митохондриях. Биохимия. 2005; 70: 195-199.

16. Самарцев В.Н., Кожина О.В., Марчик Е.И. Моделирование разобщающего действия жирных кислот при участии АДФ/ АТФ- и аспартат/глутаматного антипортеров в митохондриях печени. Биофизика. 2012; 57(2): 267-273.

17. Skulachev V.P. Anion carriers in fatty acid-mediated physiological uncoupling. J. Bioenerg. Biomembr. 1999; 31(5): 431-445.

18. Krasinskaya I.P., Marshansky V.N., Dragunova S.F., Yaguzhinsky L.S. Relationships of respiratory chain and ATP-synthetase in energized mitochondria. FEBS Lett. 1984; 167(1): 176-180.

19. Нестеров С.В. Участие липидов и жирных кислот в формировании суперкомплекса фосфорилирующей системы. Долгопрудный: Магистерская диссертация. 2014. 37 с.

20. Нестеров С.В., Скоробогатова Ю.А., Ягужинский Л.С. О специфических свойствах системы окислительнгого фосфорилирования митохондрий, функционирующей в режиме суперкомплекса. Биофизика. 2014; 59(6): 1113-1120.

21. Солодовникова И.М., Юрков В.И., Тоньшин А.А., Ягужинский Л.С. Локальное сопряжение процессов дыхания и фосфорилирования в митохондриях печени. Биофизика. 2004; 49: 47-56.

22. Zorzano A. et al. Mitochondrial fusion proteins: dual regulators of morphology and metabolism. Cell Dev Biol. 2010; 21(6): 566-74.

23. Belenguer P., Pellegrini L. The dynamin GTPase OPA1: more than mitochondria? Biochim Biophys Acta. 2013; 1833(1): 176-83.

24. Панов А.В. Функциональная биоэнергетика. Edition PDF. Вооk April, 2017. 317 с. https://www.researchgate.net/publication/315781639_funkcionalnaa_bioenergetika_Ispravlennoe_i_dopolnennoe_izdanie

25. Таганович А.Д. Патологическая биохимия. Москва: Бином; 2015. 448 с.

26. Хочачка П., Сомеро Дж. Биохимическая адаптация. Москва: Мир; 1988. 568 с.


Для цитирования:


Алексеенко С.Н., Татевосян А.С., Бунякин А.В., Золотухина В.Г., Казаров Р.Г. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ МИТОХОНДРИИ В ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ ЦИКЛЕ. Кубанский научный медицинский вестник. 2018;25(5):123-135. https://doi.org/10.25207/1608-6228-2018-25-5-123-135

For citation:


Alekseenko S.N., Tatevosyan A.S., Bunyakin A.V., Zolotukhina V.G., Kazarov R.G. PHYSIOLOGICAL FUNCTIONAL STATES OF MITOCHONDRIA IN THE THERMODYNAMIC AND ELECTROCHEMICAL CYCLE. Kuban Scientific Medical Bulletin. 2018;25(5):123-135. (In Russ.) https://doi.org/10.25207/1608-6228-2018-25-5-123-135

Просмотров: 133


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1608-6228 (Print)
ISSN 2541-9544 (Online)