Метод выделения митохондрий из мозга крыс и мышей. В силу особенностей устройства и метаболизма митохондрий понять их роль в энергетическом метаболизме органа практически невозможно без изучения митохондрий, выделенных из клеток органа. Другое дело, что необходимо использовать условия инкубации, совместимые с таковыми в данном органе, что, к сожалению, до последнего времени не принималось во внимание.
В научной литературе выделенные по методу Симса митохондрии мозга обычно называют постсинаптическими. Это не совсем верно, поскольку в сравнительно большом количестве присутствуют также митохондрии из пресинаптических терминалов. Другое дело, что часть пресинаптических терминалов не разрушается и они видны под микроскопом в виде пузырьков, содержащих митохондрии, поэтому более правильно называть выделенные митохондрии синаптическими. Они представляют собой митохондрии из обоих терминалов синапса и, очевидно, функционально и метаболически одинаковы (Yudkoff et al., 1994; Panov et al., 2009). Электронно-микроскопическое исследование выделенных митохондрий по методу Симса показало отсутствие загрязнения другими органеллами (Panov et al., 2011a).
Отличия синаптических митохондрий мозга от митохондрий из других органов и астроглии. Главным отличием синаптических митохондрий мозга от митохондрий других органов является практически полное отсутствие эндогенных субстратов. Это означает, что дыхательная активность митохондрий в любой момент полностью контролируется наличием лактата, поставляемого астроглией, активностью переносчиков глутамата в мембранах терминалов синапсов и астроглии, а также малат-аспартатного шунта в синаптических терминалах нейронов.
Мы уже подчеркивали, что функции митохондрий в органе могут сильно отличаться в зависимости от их локализации в органе. Подобные различия существуют и в мозге. Синаптические митохондрии мозга имеют несколько принципиальных отличий от митохондрий астроглии, что подчеркивает их функциональную и метаболическую разнонаправленность, а также необходимость термодинамической необратимости метаболических потоков для их одновременного осуществления в клетке и органе.
Малат-аспартатный шунт имеет исключительно важное значение для метаболизма нейронов, поскольку играет основную роль в окислении НАДН цитоплазмы митохондриями и, тем самым, делает необратимой реакцию превращения молочной кислоты, поставляемой астроцитами, в пируват — один из основных субстратов для синаптических митохондрий нейронов (рис. 7.1). Лактат как субстрат для нейронов является энергетически более выгодным, чем если бы астроглия поставляла нейронам непосредственно пируват.
&hide_Cookie=yes)
Рис. 7.1. Малат-аспартатный шунт клетки нейрона (рисунок из статьи Панова с соавторами, 2011a)
Отсутствие глутамат-аспартат-антипортера в митохондриях астроцитов предполагает компартментализацию, т.е. пространственное разделение промежуточного метаболизма глюкозы между астроцитами и нейронами. При этом гликолиз происходит в астроцитах, а образовавшийся лактат экспортируется во внеклеточную жидкость и окисляется до CO2 и H2O в синаптических митохондриях нейронов (Dienel, Cruz, 2004).
Есть предположения, что гликолиз, начиная с глюкозы, может осуществляться и в нейронах. Однако сам факт, что подавляющее большинство митохондрий мозга располагается в очень небольшом пространстве синапсов, указывает на то, что гликолиз не может быть основным источником субстратов для синаптических митохондрий, которые должны производить большое количество АТФ за очень короткое время. А вот распространение электрического сигнала по дендритам и аксонам поддерживается за счет гликолитического АТФ. Очевидно, что в чистом виде глюкоза потребляется через гликолиз в нейронах именно на эти цели, а также для поддержания окислительного фосфорилирования в митохондриях сомы нейронов.
ВММ непроницаема для НАДН. Чтобы эффективно использовать молочную кислоту в качестве субстрата для дыхания митохондрий, лактат должен быть сначала превращен в пируват в реакции: лактат + НАД+ → пируват + НАДН. Чтобы реакция, катализируемая лактатдегидрогеназой, была постоянно обращена вправо, НАДНЦИТ должен быть окислен, что происходит с помощью МАШ (малат-аспартатный шунт). Процесс окисления НАДН цитоплазмы и перенос протона внутрь митохондрий необратим, поскольку переносчик глутамата в обмен на аспартат (эта изоформа называется в литературе «aralar») работает только в одну сторону. Образовавшийся пируват + НАДНМИТохондрий окисляются митохондриями. Глутамат-аспартат-антипортер у млекопитающих экспрессируется в 2 изоформах: аралар (aralar) и цитрин (citrin) (Palmieri, 2004). Аралар обнаруживается в печени, и обе формы экспрессируются в сердце. Хотя в первые недели после рождения в мозге обнаруживаются обе изоформы глутамат-аспартат-антипортера, в зрелом мозге экспрессируется только аралар (Ramos et al., 2003). Оба изофермента глутамат-аспартат-антипортера являются электрогенными переносчиками и потому необратимо однонаправленными. Они переносят протонированную молекулу глутамата в матрикс митохондрий в обмен на анион аспартата, используя энергию трансмембранного электрического потенциала (ΔΨ) (LaNoue, Schoolwerth, 1979).
В энергизованных митохондриях нейронов активный транспорт глутамата, осуществляемый электрогенным переносчиком аралар, структурно и функционально сопряжен с аспартатаминотрансферазой. Этот комплекс ферментов сам продуцирует необходимое количество аспартата для транспорта глутамата. Аспартат может также транспортироваться в астроциты, где цитоплазменная изоформа аминотрансферазы превращает аспартат в глутамат и оксалоацетат, поддерживая в зависимости от условий в клетке работу ЦТК или производство глюкозы через карбоксилирование пирувата (McKenna et al., 2006).
Активация окислительного фосфорилирования при одновременном окислении пирувата, глутамата и малата
В митохондриях мозга существуют тесные структурные и функциональные связи между ферментами ЦТК и ферментами, метаболизирующими аминокислоты. В митохондриях мозга есть 3 фермента, два из которых являются аминотрансферазами: аланинаминотрансфераза и аспартатаминотрансфераза, третий фермент — глутаматдегидрогеназа, продуцирующая аммоний. Эти ферменты превращают аланин и глутамат в α-кетоглутарат (α-КГ), который является промежуточным метаболитом ЦТК.