Термодинамические и электрохимические осцилляции в митохондриальном жизненном цикле (биогенезе) – предикторы тканевого кальцигенеза

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Митохондриальный (М) биогенез (жизненный цикл) состоит из повторяющихся изменений собственной архитектоники, которые условно принято рассматривать в двух тектонических формах: 1 – fusion — интеграция, слияние в сетевую трубчатую композицию, при которой площадь наружной мембраны М минимизирована, что снижает теплоотдачу; 2 – fission — дезинтеграция, разделение на множество мелких обособленных фрагментов, при котором максимально увеличивается площадь наружной мембраны М (в 10–15 раз), что увеличивает теплоотдачу. В строгом соответствии (когерентно) с М-биогенезом циклически изменяются их функциональные состояния, сопровождающиеся осцилляциями термодинамических (ТД) и электрохимических (ЭХ) потенциалов. С позиции неравновесной термодинамики, в ее применении к биофизическим и биохимическим процессам, рассмотрены четыре функциональных состояния М (F states), когда когерентно с изменением теплового потенциала (∆Q) в толще внутренней мембраны М закономерно изменяется скорость движения электронов по дыхательной цепи. Особенность указанных четырех функциональных состояний М заключается в том, что показана возможность двух обратных переходов: в первом (F-I⇌F-IV) преобладают экзотермические процессы (теплопродукция), а во втором (F-II⇌F-III) – эндотермические (теплопотребление). При этом длительное преобладание направленности ТД и ЭХ процесса в сторону первого обратного перехода (F-I⇌F-IV) сопровождается хронизацией экзотермических процессов, вызванных разобщением электрохимического потенциала на внутренней мембране М (ΔΨm ), каковое в физиологических условиях осуществляется либо жирными кислотами, либо термохимической аккумуляцией в матриксе катионов Са2+ и Рi в форме фосфата кальция (СаР) с выделением тепловой энергии (+4121 кДж/моль).Это объясняет причинную возможность экспоненциального (тысячекратного) нарастания кальциевой емкости М (calcium retention capacity). Разбалансировка М-биогенеза, с хронизацией функционального состояния М, в котором доминирует первый обратный цикл, может явиться первозданным патофизиологическим механизмом кальцигенеза, при котором в процессе биогенеза М малоподвижные деэнергезированные фрагменты, переполненные солями СаР, подвергаются митофагии, при этом полному аутолизу подвергается только органический субстрат, а оставшийся неорганический пул в форме СаР апатита выводится за пределы клетки в макрофагальное пользование. Однако при нарушении местного (локального) иммунного ответа, сопровождающегося «незавершенной митофагией», и/или при нарушении лимфатического дренирования межклеточного пространства СаР пул накапливается в интерстициальных тканях различных органов, способствуя развитию распространенных кальцифицирующих болезней (атеросклероз, остеохондроз, нефролитиаз и др.).

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. С. Татевосян

Кубанский государственный медицинский университет

Author for correspondence.
Email: artur-krasnodar@bk.ru
Russian Federation, Краснодар

С. Н. Алексеенко

Кубанский государственный медицинский университет

Email: artur-krasnodar@bk.ru
Russian Federation, Краснодар

А. В. Бунякин

Кубанский государственный университет

Email: artur-krasnodar@bk.ru
Russian Federation, Краснодар

References

  1. Pizzo P., Drago I., Filad R. et al. // Eur. J. Physiol. 2012. V. 464. P. 3.
  2. Orrenius S., Zhivotovsky B., Nicotera, P. // Nat. ReV. Mol. Cell Biol. 2015. V. 7. P. 552.
  3. Twig G., Elorza A., Molina A.J. et al. // EMBO J. 2008. V. 27. P. 433.
  4. Liu X., Hainocki G. // Cell Death Differ. 2011. V. 18. P. 1561.
  5. Picard M., Shirikhai O.S., Gentil B.J. et al. // Am. J. Physiol. Regul. Integr. ComP. Physiol. 2013. V. 304. P. 393.
  6. Mammucari C., Raffaello A., Vecellio and Reane D. // Arch. of the Fugers. 2018. V. 470. P. 1165. doi: 10.1007 / s00424-018-2123-2
  7. Rossi A., Pizzo P., Filadi R. // Biochem. Biophysis. Act. Mole. Cell Res. 2019. V. 1866. P. 1068. doi: 10.1016 / j. bbamcr.2018.10.016
  8. Kohlhaas M., Nickel A.G., Maack C. // Fiziol. 2017. V. 595. P. 3753. doi: 10.1113/JP273609
  9. Dupont G. // Wiley Periodicals. 2016. V. 6. P. 227.
  10. Мюнстер А. Химическая термодинамика. М.: УРСС, 2002. 295 с.
  11. Татевосян А.С., Бунякин А.В. // Биофизика. 2019. Т. 64. С. 1151. doi: 10.1134/S0006302919060152
  12. Саотоме М., Сафиулина Д., Сабадкай Г. и др. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008. V. 105. P. 20728–20733. doi: 10.1073/pnas.0808953105
  13. De Stefani D., Rizzuto R., Pozzan T. // Annu. ReV. Biochem. J. 2016. V. 2. P. 161. doi: 10.1146/annurev-biochem-060614-034216
  14. Liu X., Berry C., Ruthel G. // JBC. 2016. V. 1. P. 1–23.
  15. Скулачев В.П., Бакеева Л.Е., Черняк Б.В. и др. // Mol. Cell Biochem. 2004. V. 256. P. 341. doi: 10.1023/b: mcbi.0000009880.94044.49
  16. Phadwal K., Feng D., Zhu D. et al. // Pharmacol. Ter. 2020. V. 206. P. 107430.
  17. Fernandez N., Dallas P., Rodriguez R. et al. // Nanoscale. 2010. V. 2. P. 1653–1656.
  18. Sun L.F., Feng J., C. Reed J. et al. // Small. 2010. V. 6. P. 638–641.
  19. Warren S.C., Banholzer M.J., Slaughter L.S. et al. // J. of the American Chemical Society. 2006. V. 128. P. 12074.
  20. Habraken U., Tao J., Brelka L. // Nat. Commun. 2013. V. 4. P. 1507. doi.org/10.1038/ncomms2490
  21. Navrotsky A. // Proc. National Akad. Sci. USA. 2004. V. 101. P. 12096–12101.
  22. Вольде П.Р., Френкель Д. // Физ. Хим. Хим. Физика. 1999. Т. 1. C. 2191.
  23. Mohammed J. // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2010. V. 107. P. 6316.
  24. De Yoreo J.J., Chung S., Nielsen M.H. // Calcifate Int. 2013. V. 93. P. 316. doi: 10.1007/s00223-013-9707-9
  25. Banfield J.F., Welch S.A., Zhang H. et al. // Science. 2000. V. 4. P. 751. doi: 10.1126/science.289.5480.751
  26. Sohnel O., Garside J. // Crystal Growth J. 1988. V. 89. P. 202.
  27. Gebauer D., Volkel A., Kolfen H. // The Science. 2008. V. 322. P. 1819.
  28. Векилов П.Г. Нуклеация // Рост и дизайн кристаллов. 2010. Т. 10. C. 5007. doi: 10.1021/cg1011633
  29. Besenius P. // Proc. Natl Akad. Sci. USA. 2010. V. 107. P. 17888.
  30. Шоу С., Кадемартири Л.// ADV. Mater. 2013. V. 25. P. 4829.
  31. Antonietti M., Kozin G.A. // Chem. Euro. J. 2004. V. 10. P. 28.
  32. Evans J.S. // Cryst. Eng. Comm. 2013. V. 15. P. 8388.
  33. Gebauer D., Kellermeyer M., Gale J.D. et al. // Chem. Soc. ReV. 2014. V. 43. P. 2348. doi: 10.1039/c3cs60451a
  34. Combez S., Casalbu S., Rey S. // Minerals. 2016. V. 6. P. 34. doi: 10.3390 / min6020034
  35. Solis F.J. // J. Chem. Phys. 2002. V. 117. P. 9009.
  36. Paloian N.J., Giachelli C.M. // Am. J. Physiol. Renal. 2014. V. 307. P. F891.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Functional (F) states and phase (S) transitions in the thermodynamic (TD) and electrochemical (EC) cycle of M. The thickness of the arrows inside M reflects the rate of the electrochemical reaction (thick - high rate, thin - low rate): blue arrow - oxygen utilisation, green arrow - ADP/ATP ratio, red arrow - direction of heat flow. The thickness of the arrows outside M indicates the changing rate of the process and the transition to the reverse cycle (first F-I ⇌ F-IV or second F-II ⇌ F-III).

Download (679KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Features of energy metabolism in the process of M biogenesis. In physiological aerobic, non-stress ATP production (left side), the second reverse cycle F-II ⇌ F-III prevails, when relatively slow Ca2+ uptake proceeds evenly (balanced) with its outflow, while the tricarboxylic acid cycle (TCA) is stimulated. The pathophysiological state of M with impaired energy metabolism (right side) is caused by a decrease in the rate of oxygen oxidation, when the formation of reactive oxygen species (ROS) increases in the electron-transport chain (ETC), and is characterised by chronisation (predominance) of the first reverse cycle F- ⇌ F-IV). At the same time, Ca2+ overload and coherent matrix swelling are noted, which naturally causes the opening of the mPTP pore, further increasing Ca2+ entry into the matrix, where amorphous CaP substrates begin to form on the medial tips of the inner membrane cristae; VDAC - anion-selective channel, MCU - mitochondrial calcium uniporter, mPTP - non-selective calcium channel.

Download (341KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Mitochondrial life cycle (biogenesis). The period of M fusion with the formation of a ‘tubular network’ corresponds to the predominance of the second reverse TD-EX cycle (F-II ⇌ F-III). The fission period corresponds to the predominance of the first reverse TD-EX cycle (F-I ⇌ F-IV). Fragmented, slow-moving, depolarised, calcified M cells are subjected to mitophagy.

Download (416KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Matrix M is an ionised liquid (IL - blue/red), which has TD-ECH properties similar to the plasma-like substance, and at the same time (simultaneously) contains phosphoric acid salt in a liquid (‘semi-liquid’) state in the form of short-lived H2PO3-/ HPO32- (HCO3-/ CO32-) ion pairs and/or even from ‘functionalized’ apatite (CaP) nanoparticles, which in the superheated (≈ 50°C) matrix of de-energised M is presented as an amorphous organic-mineral substrate (OMS). The pathophysiological swelling of the superheated matrix, overfilled with OMC, is completed by membrane rupture and dumping of the contents into the cytoplasm, which triggers cell apoptosis, and further gradual cooling of OMC to 37°C promotes its crystallisation [17-19].

Download (177KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Transformation of calcium-phosphate salts in the M matrix.

Download (144KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».