Учёные ИТЭБ РАН выяснили, как митохондрии сердца адаптируются к гипоксии

Учёные Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН совместно с коллегами из Института общей патологии и патофизиологии РАН продолжают исследовать, как митохондрии адаптируются к недостатку кислорода. В новой работе они проследили, как митохондрии сердечной мышцы перестраивают свою работу при повторяющейся гипоксии. В эксперименте на крысах умеренное снижение содержания кислорода запускало согласованные изменения энергетического обмена и структуры митохондрий, тогда как наиболее жёсткий режим подавлял синтез АТФ и приводил к выраженным повреждениям этих органелл.

Сердцу постоянно требуется большое количество энергии для сокращений, и основную роль в ее выработке играют митохондрии. При недостатке кислорода клеткам приходится перестраивать работу дыхательной цепи — системы белковых комплексов, обеспечивающей синтез АТФ. Такая перестройка может помочь организму приспособиться к гипоксии, но при чрезмерной нагрузке защитная реакция сменяется нарушением энергетического обмена.

Чтобы проследить границу между адаптацией и повреждением, исследователи изучили животных с разной врожденной устойчивостью к недостатку кислорода. Крыс подвергали повторным гипоксическим воздействиям в течение 20 тренировочных сеансов, используя три отдельных режима: 14%, 10,5% и 8% кислорода. Они примерно соответствуют условиям на высотах 3000, 5000 и 7000 метров над уровнем моря.

Учёные оценивали содержание каталитических субъединиц пяти комплексов дыхательной цепи и синтез АТФ, а также с помощью электронной микроскопии анализировали ультраструктуру трех групп митохондрий в клетках миокарда. Такой подход позволил сопоставить биохимические сигналы с изменениями внутреннего строения митохондрий.

При умеренной гипоксии — 14% и 10,5% кислорода — каждое очередное воздействие активировало митохондриальный комплекс II и комплексы III–V. Эта реакция воспроизводилась в первые 8–12 сеансов. После 20 тренировок синтез АТФ возвращался к исходному уровню, что исследователи рассматривают как признак завершившейся адаптации. Одновременно упорядочивалась ультраструктура митохондрий; наиболее выраженный адаптивный эффект наблюдался при 14% кислорода.

Иная картина возникала при 8% кислорода. В этом режиме подавлялась работа сукцинатдегидрогеназы — фермента комплекса II дыхательной цепи, снижался синтез АТФ и развивались заметные структурные нарушения митохондрий. Таким образом, усиление гипоксии не просто увеличивало адаптивный ответ, а переводило сердечную ткань в качественно другое, повреждающее состояние.

Полученные данные показывают, что активность ферментов дыхательной цепи и состояние разных групп митохондрий могут служить информативными экспериментальными показателями функционального и метаболического состояния сердца. Результаты помогают точнее понять, по каким признакам можно отличить полезную адаптацию к недостатку кислорода от перегрузки, опасной для клеток миокарда.

Работа выполнена на животных, поэтому для переноса выводов в клиническую практику потребуются дополнительные исследования. В дальнейшем выявленные показатели могут быть полезны при изучении индивидуальной устойчивости к гипоксии и при разработке обоснованных режимов гипоксических тренировок и реабилитации.

Мы задали несколько вопросов участнику проекта

На наши вопросы ответила Наталья Хмиль — участница проекта и первый автор статьи.

Ранее ваша команда изучала срочную реакцию миокарда на однократную гипоксию. Как возник замысел проследить длительную адаптацию в течение 20 тренировочных сеансов и какую основную гипотезу вы хотели проверить?

Опубликованная работа завершает цикл исследований однократных и многократных гипоксических воздействий. Первая часть цикла была посвящена изменениям, происходящим в мозге, а вторая — в сердце. Оба этих органа в первую очередь страдают при недостатке кислорода.