БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 7, с. 865–876

УДК 577.24

Антибиотик пирроломицин является эффективным разобщителем митохондрий

© 2022 А.М. Фирсов, Л.С. Хайлова, Т.И. Рокицкая, Е.А. Котова, Ю.Н. Антоненко *antonen@belozersky.msu.ru, yuriantonenko@gmail.com

НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 14.04.2022
После доработки 08.06.2022
Принята к публикации 08.06.2022

DOI: 10.31857/S032097252207003X

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: пирроломицин, митохондрии, разобщитель, протонофор, дыхание, мембранный потенциал.

Аннотация

Пирроломицины С (Pyr_C) и D  Pyr_D) – антибиотики, продуцируемые Actinosporangium и Streptomyces, механизмом антимикробного действия которых является деполяризация мембраны бактерий и подавление их биоэнергетики через разобщение окислительного фосфорилирования. В основе данного явления лежит протонофорная активность пирроломицинов [Valderrama et al. (2019) Antimicrob. Agents Chemother., 63, e01450-19]. В настоящей работе исследовано действие пирроломицинов на выделенные митохондрии печени крысы. Оказалось, что Pyr_C обладает большей активностью, чем Pyr_D, и разобщает митохондрии в субмикромолярном диапазоне концентраций, что проявляется в деполяризации мембраны митохондрий и стимуляции их дыхания. В случае препаратов митохондрий с нарушенной целостностью внешней мембраны различия в действии этих антибиотиков существенно уменьшаются. В случае «вывернутых» субмитохондриальных частиц (СМЧ) более активным разобщителем, напротив, является Pyr_D, при этом СМЧ разобщаются уже при наномолярных концентрациях антибиотика. Протонофорное действие Pyr_D на плоской бислойной липидной мембране (БЛМ) имеет максимум при рН около 9, что близко к pKa этого соединения. Pyr_D работает как типичный анионный протонофор, активность которого снижается при добавлении дипольного модификатора флоретина. Такое же соотношение протонофорной активности Pyr_D и Pyr_C получено нами на липосомах, нагруженных рН-индикатором пиранином. Высказано предположение о том, что различие между протонофорным действием этих антибиотиков на митохондриях и на БЛМ можно отнести за счёт большей способности Pyr_C проникать через внешнюю мембрану митохондрий.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 21-14-00062).

Благодарности

Авторы выражают благодарность Рубену Харткоопу за предоставление пирроломицинов, И.К. Гореловой (факультет биоинженерии и биоинформатики МГУ) за помощь в проведении экспериментов на БЛМ и В.Г. Гривенниковой (кафедра биохимии биологического факультета МГУ) за предоставление препарата СМЧ.

Вклад авторов

Ю.Н. Антоненко – концепция и руководство работой; А.М. Фирсов, Л.С. Хайлова, Т.И. Рокицкая – проведение экспериментов; Т.И. Рокицкая, Е.А. Котова, Ю.Н. Антоненко – обсуждение результатов исследования; Е.А. Котова, Ю.Н. Антоненко – написание текста и его редактирование.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Koyama, M., Kodama, Y., Tsuruoka, T., Ezaki, N., Niwa, T., et al. (1981) Structure and synthesis of pyrrolomycin A, a chlorinated nitro-pyrrole antibiotic, J. Antibiotics, 34, 1569-1576, doi: 10.7164/antibiotics.34.1569.

2. Kaneda, M., Nakamura, S., Ezaki, N., and Litaka, Y. (1981) Structure of pyrrolomycin B, a chlorinated nitro-pyrrole antibiotic, J. Antibiotics, 34, 1366-1368, doi: 10.7164/antibiotics.34.1366.

3. Cascioferro, S., Raimondi, M. V., Cusimano, M. G., Raffa, D., Maggio, B., et al. (2015) Pharmaceutical potential of synthetic and natural pyrrolomycins, Molecules, 20, 21658-21671, doi: 10.3390/molecules201219797.

4. Koyama, M., Ezaki, N., Tsuruoka, T., and Inouye, S. (1983) Structural studies on pyrrolomycins C, D and E, J. Antibiotics, 36, 1483-1489, doi: 10.7164/antibiotics.36.1483.

5. Valderrama, K., Pradel, E., Firsov, A. M., Drobecq, H., Bauderlique-le Roy, H., et al. (2019) Pyrrolomycins are potent natural protonophores, Antimicrob. Agents Chemother., 63, e01450-19, doi: 10.1128/AAC.01450-19.

6. Johnson, D., and Lardy, H. (1967) Isolation of liver or kidney mitochondria, Methods Enzymol., 10, 94-96, doi: 10.1016/0076-6879(67)10018-9.

7. Akerman, K. E., and Wikstrom, M. K. (1976) Safranine as a probe of the mitochondrial membrane potential, FEBS Lett., 68, 191-197, doi: 10.1016/0014-5793(76)80434-6.

8. Grivennikova, V. G., Gladyshev, G. V., and Vinogradov, A. D. (2020) Deactivation of mitochondrial NADH:ubiquinone oxidoreductase (respiratory complex I): Extrinsically affecting factors, Biochim. Biophys. Acta Bioenerg., 1861, 148207, doi: 10.1016/j.bbabio.2020.148207.

9. Deleage, G., Penin, F., Godinot, C., and Gautheron, D. C. (1983) Correlations between ATP hydrolysis, ATP synthesis, generation and utilization of delta pH in mitochondrial ATPase-ATP synthase, Biochim. Biophys. Acta, 725, 464-471, doi: 10.1016/0005-2728(83)90187-1.

10. Denisov, S. S., Kotova, E. A., Khailova, L. S., Korshunova, G. A., and Antonenko, Y. N. (2014) Tuning the hydrophobicity overcomes unfavorable deprotonation making octylamino-substituted 7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazole (n-octylamino-NBD) a protonophore and uncoupler of oxidative phosphorylation in mitochondria, Bioelectrochemistry, 98, 30-38, doi: 10.1016/j.bioelechem.2014.02.002.

11. Chen, Y., Schindler, M., and Simon, S. M. (1999) A mechanism for tamoxifen-mediated inhibition of acidification, J. Biol. Chem., 274, 18364-18373, doi: 10.1074/jbc.274.26.18364.

12. Skulachev, V. P. (1998) Uncoupling: new approaches to an old problem of bioenergetics, Biochim. Biophys. Acta, 1363, 100-124, doi: 10.1016/s0005-2728(97)00091-1.

13. Kotova, E. A., and Antonenko, Y. N. (2022) Fifty years of research on protonophores: mitochondrial uncoupling as a basis for therapeutic action, Acta Naturae, 14, 4-13.

14. Starkov, A. A., Dedukhova, V. I., and Skulachev, V. P. (1994) 6-ketocholestanol abolishes the effect of the most potent uncouplers of oxidative phosphorylation in mitochondria, FEBS Lett., 355, 305-308, doi: 10.1016/0014-5793(94)01211-3.

15. Andreyev, A. Y., Bondareva, T. O., Dedukhova, V. I., Mokhova, E. N., Skulachev, V. P., et al. (1988) Carboxyatractylate inhibits the uncoupling effect of free fatty acids, FEBS Lett., 226, 265-269, doi: 10.1016/0014-5793(88)81436-4.

16. Zuna, K., Jovanovic, O., Khailova, L. S., Skulj, S., Brkljako, Z., et al. (2021) Mitochondrial uncoupling proteins (UCP1-UCP3) and adenine nucleotide translocase (ANT1) enhance the protonophoric action of 2,4-dinitrophenol in mitochondria and planar bilayer membranes, Biomolecules, 11, 1178, doi: 10.3390/biom11081178.

17. Firsov, A. M., Popova, L. B., Khailova, L. S., Nazarov, P. A., Kotova, E. A., et al. (2021) Protonophoric action of BAM15 on planar bilayers, liposomes, mitochondria, bacteria and neurons, Bioelectrochemistry, 137, 107673, doi: 10.1016/j.bioelechem.2020.107673.

18. Iaubasarova, I. R., Khailova, L. S., Firsov, A. M., Grivennikova, V. G., Kirsanov, R. S., et al. (2020) The mitochondria-targeted derivative of the classical uncoupler of oxidative phosphorylation carbonyl cyanide m-chlorophenylhydrazone is an effective mitochondrial recoupler, PLoS One, 15, e0244499, doi: 10.1371/journal.pone.0244499.

19. Khailova, L. S., Vygodina, T. V., Lomakina, G. Y., Kotova, E. A., and Antonenko, Y. N. (2020) Bicarbonate suppresses mitochondrial membrane depolarization induced by conventional uncouplers, Biochem. Biophys. Res. Commun., 530, 29-34, doi: 10.1016/j.bbrc.2020.06.131.

20. McLaughlin, S., and Dilger, J. P. (1980) Transport of protons across membranes by weak acids, Physiol. Rev., 60, 825-863, doi: 10.1152/physrev.1980.60.3.825.

21. O’Shaughnessy, K., and Hladky, S. B. (1983) Transient currents carried by the uncoupler, carbonyl cyanide m-chlorophenylhydrazone, Biochim. Biophys. Acta, 724, 381-387, doi: 10.1016/0005-2728(83)90097-x.

22. Popova, L. B., Nosikova, E. S., Kotova, E. A., Tarasova, E. O., Nazarov, P. A., et al. (2018) Protonophoric action of triclosan causes calcium efflux from mitochondria, plasma membrane depolarization and bursts of miniature end-plate potentials, Biochim. Biophys. Acta, 1860, 1000-1007, doi: 10.1016/j.bbamem.2018.01.008.

23. Andersen, O. S., Finkelstein, A., Katz, I., and Cass, A. (1976) Effect of phloretin on permeability of thin lipid membranes, J. Gen. Physiol., 67, 749-771, doi: 10.1085/jgp.67.6.749.

24. Rokitskaya, T. I., Ilyasova, T. M., Severina, I. I., Antonenko, Y. N., and Skulachev, V. P. (2013) Electrogenic proton transport across lipid bilayer membranes mediated by cationic derivatives of rhodamine 19: comparison with anionic protonophores, Eur. Biophys. J., 42, 477-485, doi: 10.1007/s00249-013-0898-9.

25. Khailova, L. S., Rokitskaya, T. I., Kovalchuk, S. I., Kotova, E. A., Sorochkina, A. I., et al. (2018) Role of mitochondrial outer membrane in the uncoupling activity of N-terminally glutamate-substituted gramicidin A, Biochim. Biophys. Acta, 1861, 281-287, doi: 10.1016/j.bbamem.2018.06.013.

26. Dickson, C. J., Hornak, V., Pearlstein, R. A., and Duca, J. S. (2017) Structure kinetic relationships of passive membrane permeation from multiscale modeling, J. Am. Chem. Soc., 139, 442-452, doi: 10.1021/jacs.6b11215.

27. Kasianowicz, J., Benz, R., and McLaughlin, S. (1984) The kinetic mechanism by which CCCP (carbonyl cyanide m-chlorophenylhydrazone) transports protons across membranes, J. Membr. Biol., 82, 179-190, doi: 10.1007/BF01868942.

28. Treacy, M., Miller, T., Black, B., Gard, I., Hunt, D., et al. (1994) Uncoupling activity and pesticidal properties of pyrroles, Biochem. Soc. Trans., 22, 244-247, doi: 10.1042/bst0220244.

29. Black, B. C., Hollingworth, R. M., Ahammadsahib, K. I., Kukel, D. C., and Donovan, S. (1994) Insecticidal action and mitochondrial uncoupling activity of AC-303,630 and related halogenated pyrroles, Pestic. Biochem. Physiol., 50, 115-128, doi: 10.1006/pest.1994.1064.