БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 8, с. 1007–1013
УДК 577.352;577.23;576.36
Окно в калиевый мир. Открытие калиевой энергетики в митохондриях и идентичности митохондриального АТР‑зависимого K+‑канала
Мини-обзор
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, 119991 Москва, Россия
Поступила в редакцию 23.04.2022
После доработки 04.07.2022
Принята к публикации 04.07.2022
DOI: 10.31857/S0320972522080024
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: митохондрии, АТР-синтаза, митохондриальный АТР‑зависимый калиевый канал, ионы калия, протоны, биоэнергетика, транспорт, вращение, мембранный потенциал, ишемия.
Аннотация
В трех статьях Юхасцовой и соавт. [Juhaszova et al. (2022) Function, 3, zqab065, zqac001 и zqac018] сделаны выводы, которые можно отнести к прорывным в биоэнергетике и митохондриальной медицине. Более полувека считалось, что митохондриальная энергетика исключительно протонная, и она основана на том, что при окислении дыхательных субстратов на внутренней мембране митохондрий создается электрохимический потенциал ионов водорода, который за счет обратного транспорта протонов через АТР‑синтазный комплекс расходуется на образование АТР. Теперь представлены свидетельства того, что АТР‑синтаза переносит не только протоны, но и ионы калия, при этом также образуется АТР. Этот процесс представляется логичным, если учитывать то, что в эукариотической клетке концентрация ионов калия в несколько миллионов раз выше, чем протонов. Показано, что транспорт K+ через АТР‑синтазу можно усилить активаторами митохондриального АТР‑зависимого K+‑канала (мK/АТР), что позволяет сделать вывод, что АТР‑синтаза является материальной основой мK/АТР. При транспорте K+ в матрикс митохондрий не только образуется АТР, но в силу осмотичности ионов калия происходит поступление воды в матрикс, сопровождающееся увеличением его объема и усилением дыхания митохондрий с соответственным дополнительным синтезом АТР, что говорит об энергетической выгодности такого транспорта. Движущей силой транспорта K+ внутрь митохондрии является мембранный потенциал, а удаляется избыток K+ из матрикса гипотетическими K+/Н+‑обменниками. Важную роль в активации мK/АТР играет белковый ингибитор (inhibitory factor 1, IF1), способный увеличивать хемомеханическую эффективность АТР‑синтазы, что является положительным фактором в защитной антиишемической сигнализации.
Текст статьи
Финансирование
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 19-14-00173-п).
Конфликт интересов
Автор заявляет 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. Judah, J. D., and Nicholls, M. R. (1971) The separation of intracellular serum albumin from rat liver, Biochem. J., 123, 643-648, doi: 10.1042/bj1230643.
2. Verkhovsky, M. I., and Bogachev, A. V. (2010) Sodium-translocating NADH:quinone oxidoreductase as a redox-driven ion pump, Biochim. Biophys. Acta, 1797, 738-746, doi: 10.1016/j.bbabio.2009.12.020.
3. Muntyan, M. S., Cherepanov, D. A., Malinen, A. M., Bloch, D. A., Sorokin, D. Y., et al. (2015) Cytochrome cbb3 of Thioalkalivibrio is a Na+-pumping cytochrome oxidase, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 112, 7695-7700, doi: 10.1073/pnas.1417071112.
4. Dimroth, P., von Ballmoos, C., Meier, T., and Kaim, G. (2003) Electrical power fuels rotary ATP synthase, Structure, 11, 1469-1473, doi: 10.1016/j.str.2003.11.011.
5. Juhaszova, M., Kobrinsky, E., Zorov, D. B., Yaniv, Y., Fishbein, K. W., et al. (2022) ATP synthase K+– and H+-flux drive ATP synthesis and enable mitochondrial K+-uniporter function. I. Characterization of ion fluxes, Function, 3, zqab065, doi: 10.1093/function/zqab065.
6. Juhaszova, M., Kobrinsky, E., Zorov, D. B., Yaniv, Y., Fishbein, K. W., et al. (2022) ATP synthase K+– and H+-flux drive ATP synthesis and enable mitochondrial K+-uniporter function. II. Ion and ATP synthase flux regulation, Function, 3, zqac001, doi: 10.1093/function/zqac001.
7. Juhaszova, M., Kobrinsky, E., Zorov, D. B., Aon, M. A., Cortassa, S., et al. (2022) Setting the record straight: a new twist on the chemiosmotic mechanism of oxidative phosphorylation, Function, 3, zqac018, doi: 10.1093/function/zqac018.
8. Bajgar, R., Seetharaman, S., Kowaltowski, A. J., Garlid, K. D., and Paucek, P. (2001) Identification and properties of a novel intracellular (mitochondrial) ATP-sensitive potassium channel in brain, J. Biol. Chem., 1276, 33369-33374, doi: 10.1074/jbc.M103320200.
9. Foster, D. B., Ho, A. S., Rucker, J., Garlid, A. O., Chen, L., et al. (2012) Mitochondrial ROMK channel is a molecular component of mitoK(ATP), Circ. Res., 111, 446-454, doi: 10.1161/CIRCRESAHA.112.266445.
10. Wind, T., Prehn, J. H., Peruche, B., and Krieglstein, J. (1997) Activation of ATP-sensitive potassium channels decreases neuronal injury caused by chemical hypoxia, Brain Res., 751, 295-299, doi: 10.1016/s0006-8993(96)01419-9.
11. Garlid, K. D., Paucek, P., Yarov-Yarovoy, V., Murray, H. N., Darbenzio, R. B., et al. (1997) Cardioprotective effect of diazoxide and its interaction with mitochondrial ATP-sensitive K+ channels. Possible mechanism of cardioprotection, Circ. Res., 81, 1072-1082, doi: 10.1161/01.res.81.6.1072.
12. Juhaszova, M., Zorov, D. B., Kim, S. H., Pepe, S., Fu, Q., et al. (2004) Glycogen synthase kinase-3beta mediates convergence of protection signaling to inhibit the mitochondrial permeability transition pore, J. Clin. Invest., 113, 1535-1549, doi: 10.1172/JCI19906.
13. Boyer, P., and Kohlbrenner, W. E. (1981) The present status of the binding-change mechanism and its relation to ATP formation by chloroplasts, in Energy coupling in Photosynthesis, Selman, Selman-Reimer, pp. 231-240.
14. Cox, G. B., Jans, D. A., Fimmel, A. L., Gibson, F., and Hatch, L. (1984) Hypothesis. The mechanism of ATP synthase. Conformational change by rotation of the beta-subunit, Biochim. Biophys. Acta, 768, 201-208, doi: 10.1016/0304-4173(84)90016-8.
15. Boyer, P. D., Cross, R. L., and Momsen, W. (1973) A new concept for energy coupling in oxidative phosphorylation based on a molecular explanation of the oxygen exchange reactions, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 70, 2837-2839, doi: 10.1073/pnas.70.10.2837.
16. Cox, G. B., Fimmel, A. L., Gibson, F., and Hatch, L. (1986) The mechanism of ATP synthase: a reassessment of the functions of the b and a subunits, Biochim. Biophys. Acta, 849, 62-69, doi: 10.1016/0005-2728(86)90096-4.
17. Mitchell, P. (1985) Molecular mechanics of protonmotive F0F1 ATPases. Rolling well and turnstile hypothesis, FEBS Lett., 182, 1-7, doi: 10.1016/0014-5793(85)81142-x.
18. Abrahams, J. P., Leslie, A. G., Lutter, R., and Walker, J. E. (1994) Structure at 2.8 Å resolution of F1-ATPase from bovine heart mitochondria, Nature, 370, 621-628, doi: 10.1038/370621a0.
19. Walker, J. E. (2013) The ATP synthase: the understood, the uncertain and the unknown, Biochem. Soc. Trans., 41, 1-16, doi: 10.1042/BST20110773.
20. Sabbert, D., Engelbrecht, S., and Junge, W. (1996) Intersubunit rotation in active F-ATPase, Nature, 381, 623-625, doi: 10.1038/381623a0.
21. Noji, H., Yasuda, R., Yoshida, M., and Kinosita, K. Jr. (1997) Direct observation of the rotation of F1-ATPase, Nature, 386, 299-302, doi: 10.1038/386299a0.
22. Pullman, M. E., and Monroy, G. C. (1963) A naturally occurring inhibitor of mitochondrial adenosine triphosphatase, J. Biol. Chem., 238, 3762-3769.
23. Di Lisa, F., Blank, P. S., Colonna, R., Gambassi, G., Silverman, H. S., et al. (1995) Mitochondrial membrane potential in single living adult rat cardiac myocytes exposed to anoxia or metabolic inhibition, J. Physiol., 486, 1-13, doi: 10.1113/jphysiol.1995.sp020786.
24. Roberts, P. G., and Hirst, J. (2012) The deactive form of respiratory complex I from mammalian mitochondria is a Na+/H+ antiporter, J. Biol. Chem., 287, 34743-34751, doi: 10.1074/jbc.M112.384560.
25. Kiedrowski L., Brooker, G., Costa, E., and Wroblewski, J. T. (1994) Glutamate impairs neuronal calcium extrusion while reducing sodium gradient, Neuron, 12, 295-300, doi: 10.1016/0896-6273(94)90272-0.
26. Kiedrowski, L., Wroblewski, J. T., and Costa, E. (1994) Intracellular sodium concentration in cultured cerebellar granule cells challenged with glutamate, Mol. Pharmacol., 45, 1050-1054.
27. Liu, T., and O’Rourke, B. (2008) Enhancing mitochondrial Ca2+ uptake in myocytes from failing hearts restores energy supply and demand matching, Circ. Res., 103, 279-288, doi: 10.1161/CIRCRESAHA.108.175919.
28. Beattie, D. S., and Basford, R. E. (1968) Sodium-stimulated adenosine triphosphatase activity of rat brain mitochondria, J. Neurochem., 15, 325-353, doi: 10.1111/j.1471-4159.1968.tb11617.x.
29. Nesci, S., Trombetti, F., Ventrella, V., and Pagliarani, A. (2016) The c-ring of the F1FО-ATP synthase: facts and perspectives, J. Membr. Biol., 249, 11-21, doi: 10.1007/s00232-015-9860-3.
30. Yoshia, M., Muneyuki, E., and Hisabori, T. (2001) ATP synthase – a marvellous rotary engine of the cell, Nat. Rev. Mol. Cell. Biol., 2, 669-677, doi: 10.1038/35089509.
31. Boyer, P. D. (1997) The ATP synthase-a splendid molecular machine, Annu. Rev. Biochem., 66, 717-749, doi: 10.1146/annurev.biochem.66.1.717.
32. Berry, R. M. (2005) ATP synthesis: the world’s smallest wind-up toy, Curr. Biol., 15, R385-R387.