Метаболическая регуляция рН-градиента митохондрий и окислительного стресса в синаптосомах мозга крыс

Авторы

  • Светлана Владимировна Гриневич Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Сергей Викторович Федорович Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Ключевые слова:

синапс, синаптосома, митохондрия, свободный радикал, кетогенная диета, гипогликемия
Поддерживающие организации
Работа выполнена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (грант № Б19-01) и Белорусского государственного университета (грант ректора на имя С. В. Федоровича).

Аннотация

Изменение метаболизма может влиять на различные трансмембранные потенциалы синаптических митохондрий и антиоксидантные системы защиты клетки. Изучено влияние таких процессов, как удаление глюкозы из инкубационной среды и замена глюкозы на кетоновое тело β-гидроксибутират (БГБ) в количестве 8 ммоль/л, на рН-градиент митохондрий, образование свободных радикалов и уровень восстановленного глутатиона в синаптосомах мозга крыс. Установлено, что замена в инкубационной среде глюкозы на БГБ приводит к повышению митохондриального захвата флуоресцентного зонда акридинового оранжевого, отражающему увеличение рН-градиента митохондрий. В то же время это воздействие не повлияло на уровень флуоресценции зонда 2′,7′-дихлордигидрофлуоресцеина диацетата, что свидетельствует об отсутствии изменений в образовании свободных радикалов. Также БГБ был неэффективен в качестве антиоксиданта при окислительном стрессе, вызванном внесением в инкубационную среду 1 ммоль/л пероксида водорода или экстраклеточным закислением до уровня рН 6,0. Полное удаление глюкозы из инкубационной среды вызвало небольшое, но статистически достоверное увеличение пула восстановленного глутатиона. Ингибитор пентозофосфатного шунта – 6-аминоникотинамид (1 ммоль/л) – вызвал парадоксальное увеличение содержания восстановленного глутатиона. Сделан вывод о том, что изменение метаболического статуса синаптосом может повлиять на рН-градиент синаптических митохондрий и уровень восстановленного глутатиона.

Биографии авторов

  • Светлана Владимировна Гриневич, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    кандидат биологических наук; доцент кафедры биохимии биологического факультета

  • Сергей Викторович Федорович, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    кандидат биологических наук; доцент кафедры биохимии биологического факультета

Библиографические ссылки

  1. Федорович СВ, Демидчик ВВ. Повреждение синапсов центральной нервной системы при патологиях головного мозга: мембранные механизмы и способы коррекции. Экспериментальная биология и биотехнология. 2023;3:4–11. EDN: MRRDMP.
  2. Fedorovich SV, Waseem TV. Metabolic regulation of synaptic activity. Reviews in the Neurosciences. 2018;29(8):825–835. DOI: 10.1515/revneuro-2017-0090.
  3. Hofmeiejer J, van Putten MJAM. Ischemic cerebral damage: an appraisal of synaptic failure. Stroke. 2012;43(2):607–615. DOI: 10.1161/STROKEAHA.111.632943.
  4. Li C, Jiang M, Fang Z-T, Chen Z, Li L, Liu Z, et al. Current evidence of synaptic dysfunction after stroke: cellular and molecular mechanisms. CNS Neuroscience & Therapeutics. 2024;30(5):e14744. DOI: 10.1111/cns.14744.
  5. Fedorovich SV, Voronina PP, Waseem TV. Ketogenic diet versus ketoacidosis: what determines the influence of ketone bodies on neurons? Neural Regeneration Research. 2018;13(12):2060–2063. DOI: 10.4103/1673-5374.241442.
  6. Gano LB, Patel M, Rho JM. Ketogenic diets, mitochondria and neurological diseases. Journal of Lipid Research. 2014;55(11):2211–2228. DOI: 10.1194/jlr.R048975.
  7. Fedorovich SV, Waseem TV, Puchkova LV. Biogenetic and morphofunctional heterogeneity of mitochondria: the case of synaptic mitochondria. Reviews in the Neurosciences. 2017;28(4):363–373. DOI: 10.1515/revneuro-2016-0077.
  8. Devine MJ, Kittler JT. Mitochondria at the neuronal presynapse in health and disease. Nature Reviews Neuroscience. 2018;19(2):63–80. DOI: 10.1038/nrn.2017.170.
  9. Hrynevich SV, Pekun TG, Waseem TV, Fedorovich SV. Influence of glucose deprivation on membrane potentials of plasma membranes, mitochondria and synaptic vesicles in rat brain synaptosomes. Neurochemical Research. 2015;40(6):1188–1196. DOI: 10.1007/s11064-015-1579-0.
  10. Omori NE, Malys MK, Woo G, Mansor L. Exogenous ketone bodies and the ketogenic diet as a treatment option for neurodevelopmental disorders. Frontiers in Nutrition. 2024;11:1485280. DOI: 10.3389/fnut.2024.1485280.
  11. Dedkova EN, Blatter LA. Role of β-hydroxybutirate, its polymer poly-β-hydroxybutirate and inorganic polyphosphate in mammalian health and disease. Frontiers in Physiologe. 2014;5:260. DOI: 10.3389/fphys.2014.00260.
  12. Paolo A, Bianco A, Damiani E, Bosco G. Ketogenic diet in neuromuscular and neurodegenerative diseases. Biomed Research International. 2014;2014:474296. DOI: 10.1155/2014/474296.
  13. Achanta LB, Rae CD. β-Hydroxybutirate in the brain: one molecule, multiple mechanisms. Neurochemical Research. 2017;42(1):35–49. DOI: 10.1007/s11064-016-2099-2.
  14. Wei C. The role of glutathione peroxidase 4 in neuronal ferroptosis and its therapeutic potential in ischemic and hemorrhagic stroke. Brain Research Bulletin. 2024;217:111065. DOI: 10.1016/j.brainresbull.2024.111065.
  15. Zheng J, Conrad M. Ferroptosis: when metabolism meets cell death. Physiological Reviews. 2025;105:651–706. DOI: 10.1152/physrev.00031.2024.
  16. Dringen R, Pawlowski PG, Hirrlinger J. Peroxide detoxification by brain cells. Journal of Neuroscience Research. 2005;79(1–2):157–165. DOI: 10.1002/jnr.20280.
  17. Tang BL. Neuroprotection by glucose-6-phospate dehydrogenase and the pentose phosphate pathway. Journal of Cellular Biochemistry. 2019;120(9):14285–14295. DOI: 10.1002/jcb.29004.
  18. Languren G, Montiel T, Julio-Ampilas A, Massieu L. Neuronal damage and cognitive impairment associated with hypoglycemia: an integrated view. Neurochemistry International. 2013;63(4):331–343. DOI: 10.1016/j.neuint.2013.06.018.
  19. Waseem TV, Fedorovich SV. Presynaptic glycine receptors influence plasma membrane potential and glutamate release. Neurochemical Research. 2010;35(8):1188–1195. DOI: 10.1007/s11064-010-0174-7.
  20. Wilhelm BG, Mandad S, Truckenbrodt S, Krönhert K, Schäfer C, Rammer B, et al. Composition of isolated synaptic boutons reveals the amounts of vesicle trafficking proteins. Science. 2014;344:1023–1028. DOI: 10.1126/science.1252884.
  21. LeBel CP, Bondy SC. Sensitive and rapid quantitation of oxygen reactive species formation in rat synaptosomes. Neurochemistry International. 1990;17(3):435–440. DOI: 10.1016/0197-0186(90)90025-o.
  22. Kamencic H, Lyon A, Paterson PG, Juurlink BH. Monochlorobimane fluorometric method to measure tissue glutathione. Analytical Biochemistry. 2000;286(1):35–37. DOI: 10.1006/abio.2000.4765.
  23. Hajós F. An improved method for the preparation of synaptosomal fractions in high purity. Brain Research. 1975;93(3):485–489. DOI: 10.1016/0006-8993(75)90186-9.
  24. Alekseenko AV, Waseem TV, Fedorovich SV. Ferritin, a protein containing iron nanoparticles, induces reactive oxygen species formation and inhibits glutamate uptake in rat brain synaptosomes. Brain Research. 2008;1241:193–200. DOI: 10.1016/j.brainres.2008.09.012.
  25. Pekun TG, Hrynevich SV, Waseem TV, Fedorovich SV. Role of iron, zinс and reduced glutathione in oxidative stress induction by low pH in rat brain synaptosomes. Springerplus. 2014;3:560. DOI: 10.1186/2193-1801-3-560.
  26. Lowry OH, Rosenbrough NJ, Farr AL, Randall RJ. Protein measurements with Folin reagent. Journal of Biological Chemistry. 1951;193(1):265–275. DOI: 10.1016/S0021-9258(19)52451-6.
  27. Kauppinen RA, Nicholls DG. Synaptosomal bioenergetics. The role of glycolisis, pyruvate oxidation and responses to hypoglycaemia. European Journal of Biochemistry. 1986;158(1):159–165. DOI: 10.1111/j.1432-1033.1986.tb09733.x.
  28. Holmgren CD, Mukhtarov M, Malkov AE, Popova IY, Bregestovski P, Zilberter Y. Energy substrate availability as a determinant of neuronal resting potential, GABA signaling and spontaneous network activity in the neonatal cortex in vitro. Journal of Neurochemistry. 2010;112(4):900–912. DOI: 10.1111/j.1471-4159.2009.06506.x.
  29. Hrynevich SV, Waseem TV, Hébert A, Pellerin L, Fedorovich SV. β-Hydroxybutirate supports synaptic vesicle cycling but reduces endocytosis and exocytosis in rat brain synaptosomes. Neurochemistry International. 2016;93:73–81. DOI: 10.1016/j.neuint. 2015.12.014.
  30. McKenna MC, Tildon JT, Stevenson JH, Boatright R, Huang S. Regulation of energy metabolism in synaptic terminals and cultured rat brain astrocytes: differences revealed using aminooxyacetate. Developmental Neuroscience. 1993;15(3–5):320–329. DOI: 10.1159/000111351.
  31. Pekun TG, Lemeshchenko VV, Lyskova TI, Waseem TV, Fedorovich SV. Influence of intra- and extracellular acidification on free radical formation and mitochondria membrane potential in rat brain synaptosomes. Journal of Molecular Neuroscience. 2013;49(1):211–222. DOI: 10.1007/s12031-012-9913-3.
  32. Dubouskaya TG, Hrynevich SV, Waseem TV, Fedorovich SV. Calcium release from intracellular stores is involved in mitochondria depolarization after lowering extracellular pH in rat brain synaptosomes. Acta Neurobiologiae Experimentalis. 2018;78(4):343–351. DOI: 10.21307/ane-2018-033.
  33. Shimazu T, Hirschey MD, Newman J, He W, Shirakawa K, Le Moan N, et al. Suppression of oxidative stress by β-hydroxybutyrate, an endogenous histone deacetylase inhibitor. Science. 2013;339(6116):211–214. DOI: 10.1126/science.1227166.
  34. Coyle JP, Johnson C, Jensen J, Farcas M, Derk R, Stueckle TA, et al. Variation in pentose phosphate pathway-associated metabolism dictates cytotoxicity outcomes determined by tetrazolium reduction assays. Scientific Reports. 2023;13(1):8220. DOI: 10.1038/s41598-023-35310-5.

Загрузки

Опубликован

2025-10-31

Выпуск

№ 2 (2025): Экспериментальная биология и биотехнология

Раздел

Биохимия

Лицензия

Copyright (c) 2025 Экспериментальная биология и биотехнология

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).

Как цитировать

Гриневич, С. В., & Федорович, С. В. (2025). Метаболическая регуляция рН-градиента митохондрий и окислительного стресса в синаптосомах мозга крыс. Экспериментальная биология и биотехнология, 2, 36-43. https://doi.org/10.33581/2957-5060-2025-2-%p