ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ МИТОХОНДРИИ В ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ ЦИКЛЕ

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! 

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.