Учёные Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН совместно с коллегами из Института общей патологии и патофизиологии РАН продолжают исследовать, как митохондрии адаптируются к недостатку кислорода. В новой работе они проследили, как митохондрии сердечной мышцы перестраивают свою работу при повторяющейся гипоксии. В эксперименте на крысах умеренное снижение содержания кислорода запускало согласованные изменения энергетического обмена и структуры митохондрий, тогда как наиболее жёсткий режим подавлял синтез АТФ и приводил к выраженным повреждениям этих органелл.
Сердцу постоянно требуется большое количество энергии для сокращений, и основную роль в ее выработке играют митохондрии. При недостатке кислорода клеткам приходится перестраивать работу дыхательной цепи — системы белковых комплексов, обеспечивающей синтез АТФ. Такая перестройка может помочь организму приспособиться к гипоксии, но при чрезмерной нагрузке защитная реакция сменяется нарушением энергетического обмена.
Чтобы проследить границу между адаптацией и повреждением, исследователи изучили животных с разной врожденной устойчивостью к недостатку кислорода. Крыс подвергали повторным гипоксическим воздействиям в течение 20 тренировочных сеансов, используя три отдельных режима: 14%, 10,5% и 8% кислорода. Они примерно соответствуют условиям на высотах 3000, 5000 и 7000 метров над уровнем моря.
Учёные оценивали содержание каталитических субъединиц пяти комплексов дыхательной цепи и синтез АТФ, а также с помощью электронной микроскопии анализировали ультраструктуру трех групп митохондрий в клетках миокарда. Такой подход позволил сопоставить биохимические сигналы с изменениями внутреннего строения митохондрий.
При умеренной гипоксии — 14% и 10,5% кислорода — каждое очередное воздействие активировало митохондриальный комплекс II и комплексы III–V. Эта реакция воспроизводилась в первые 8–12 сеансов. После 20 тренировок синтез АТФ возвращался к исходному уровню, что исследователи рассматривают как признак завершившейся адаптации. Одновременно упорядочивалась ультраструктура митохондрий; наиболее выраженный адаптивный эффект наблюдался при 14% кислорода.
Иная картина возникала при 8% кислорода. В этом режиме подавлялась работа сукцинатдегидрогеназы — фермента комплекса II дыхательной цепи, снижался синтез АТФ и развивались заметные структурные нарушения митохондрий. Таким образом, усиление гипоксии не просто увеличивало адаптивный ответ, а переводило сердечную ткань в качественно другое, повреждающее состояние.
Полученные данные показывают, что активность ферментов дыхательной цепи и состояние разных групп митохондрий могут служить информативными экспериментальными показателями функционального и метаболического состояния сердца. Результаты помогают точнее понять, по каким признакам можно отличить полезную адаптацию к недостатку кислорода от перегрузки, опасной для клеток миокарда.
Работа выполнена на животных, поэтому для переноса выводов в клиническую практику потребуются дополнительные исследования. В дальнейшем выявленные показатели могут быть полезны при изучении индивидуальной устойчивости к гипоксии и при разработке обоснованных режимов гипоксических тренировок и реабилитации.
Мы задали несколько вопросов участнику проекта
На наши вопросы ответила Наталья Хмиль — участница проекта и первый автор статьи.
Ранее ваша команда изучала срочную реакцию миокарда на однократную гипоксию. Как возник замысел проследить длительную адаптацию в течение 20 тренировочных сеансов и какую основную гипотезу вы хотели проверить?
Опубликованная работа завершает цикл исследований однократных и многократных гипоксических воздействий. Первая часть цикла была посвящена изменениям, происходящим в мозге, а вторая — в сердце. Оба этих органа в первую очередь страдают при недостатке кислорода. Однократное гипоксическое воздействие позволяет увидеть срочную реакцию организма, а многократные тренировки — проследить формирование устойчивых адаптационно-приспособительных изменений.
Почему для эксперимента выбрали именно три режима — 14%, 10,5% и 8% кислорода? Что позволило считать их разными ступенями нагрузки на организм?
Эти три режима гипоксических тренировок были предложены и отработаны в лаборатории профессора Людмилы Дмитриевны Лукьяновой на основе многолетних исследований гипоксических состояний разной степени тяжести. При нормоксии доля кислорода составляет около 21%. Первый, «слабый», режим — 14% кислорода — моделирует снижение его содержания примерно на треть, как при подъёме на высоту около 3000 метров. Такие условия способен переносить практически любой организм. Снижение содержания кислорода до 10,5% и тем более до 8% соответствует уже умеренной и тяжёлой гипоксии, которая вызывает значительно более выраженные изменения.
Таким образом, работа завершает цикл исследований, позволяющий проследить путь от срочной реакции на однократную гипоксию до устойчивой адаптации при повторных воздействиях. Полученные результаты подчеркивают, что решающее значение имеет интенсивность нагрузки: умеренный недостаток кислорода способен запускать приспособительные перестройки в митохондриях сердца, тогда как тяжелая гипоксия нарушает их структуру и энергетическую функцию. В дальнейшем эти данные могут помочь точнее определить границы безопасного и эффективного гипоксического воздействия.
Работа опубликована в журнале International Journal of Molecular Sciences: N. Khmil, E. Germanova, L. Pavlik, G. Mironova, L. Lukyanova, «Mitochondrial Signaling and Ultrastructure in the Myocardium During Long-Term Adaptation to Hypoxia», 2026, 27(12), 5331. DOI: 10.3390/ijms27125331.
На фото коллектив авторов: д.б.н. Л.Л. Павлик; заслуженный деятель науки, д.б.н. проф. Г.Д. Миронова, первый автор статьи Н.В. Хмиль
Галерея
