Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Пущино, Московская область, 142290, Россия

Университет Томаса Джефферсона, Филадельфия, 19107, США 

 

 

Аннотация. Количественный анализ бистабильности в работе дыхательной цепи был выполнен с помощью математической модели, представляющей систему 32 обыкновенных дифференциальных уравнений. Детальный численный анализ широкого спектра стационарных состояний в модели выявил механизмы появления гистерезиса и бистабильности в работе дыхательной цепи в условиях окисления НАДН, сукцината и НАДН+сукцинат. Показано, что появление гистерезиса и бистабильности при окислении НАДН и сукцината имеет один и тот же кинетический механизм, а именно, кажущееся субстратное угнетение окисления QH₂ на Qo-сайте комплекса III.   Однако, условия возникновения бистабильности при окисленнии разных субстратов сильно отличаются из-за разной QH₂-зависимости скорости генерации QH₂ в комплексах I и II. Наиболее важными параметрами, которые влияют на появление бистабильности в дыхательной цепи при окислении НАДН и НАДН+сукцинат, являются скорость восстановления НАДН в матриксе и концентрации комплекса I и убихинона во внутренней мембране митохондрий. Детально изучена гипотеза, предложенная ранее Селивановым с коллегами, о том, что бистабильность является причиной экспериментально наблюдаемого сильного увеличения производства активных форм кислорода (АФК) при гипоксии-реоксигенации. Компьютерное моделирование ситуации «гипоксия-реоксигенация» при условии существования бистабильности в модели показывает, что существенный рост производства АФК при реоксигенации наблюдается только при слабых изменениях мембранного потенциала в результате гипоксии. Если же при гипоксии мембранный потенциал сильно падает, удерживая высокую скорость дыхания и окисленное состояние дыхательной цепи, то реоксигенация, следующая после гипоксии, не приводит к изменению скорости производства АФК, существовавшему до гипоксии. Результаты этого исследования предполагают существование другого дополнительного механизма сильного увеличения АФК в митохондриях в результате гипоксии-реоксигенации, приводящего к гибели клеток.

 

Ключевые слова: активные формы кислорода (АФК), митохондриальная дыхательная цепь, математическая модель, гистерезис и бистабильность, гипоксия-реоксигенация.