Гипоксия вызывает закономерно развивающиеся изменения ультраструктуры клеток, причем определяющую роль в них играет повреждение митохондрий. Патология митохондрий выражается в появлении нескольких типичных форм изменений, зависящих от длительности и тяжести гипоксического воздействия и представляет собой сложный многоступенчатый процесс [1]: 1 стадия, кратковременная активация комплекса I электрон-транспортной цепи и увеличение содержания субъединиц цитохром bc1 комплексов; 2 стадия, при усилении гипоксии происходят подавление комплекса I и компенсаторная активация комплекса II; 3 стадия (истощение) развивается при очень низких значениях рО2 или длительном гипоксическом воздействии и сопровождается подавлением комплекса III (цитохром bc1 комплекс ), а затем и комплекса IV, что приводит к деэнергизации клетки.

Одновременно данное гипоксическое воздействие в 1 стадии приводило к повышению плотности матрикса, увеличению количества органелл с плотно и параллельно упакованными кристами, что отражает усиление окислительного фосфорилирования и снижение уровня активных форм кислорода (АФК). Аналогичное влияние гипоксии происходит на митохондрии растений [2]. Продолжительная гипоксия (3 стадия) вызывает набухание митохондрий с уменьшением крист, конденсацию митохондриального матрикса и повышение уровня АФК.

Приобретение параллельно упакованных крист ультраструктуры митохондрий под действием начальных стадий гипоксии невозможно объяснить с точки зрения классического механизма функционирования митохондрий, но легко можно объяснить с помощью митохондриально-аргининовой теории старения. В основе этой теории лежит механо-хемиосмотический механизм сопряжения, где сопряжены перенос электронов, низкоамплитудное набухание-сокращение митохондрий и синтез АТФ (https://www.youtube.com/watch?v=48jScej4dl0) [3]. Согласно этому механизму, при сокращении внутрикристного пространства митохондрий, электрон переносится от [2Fe-2S] кластера одного димера на гем с1 другого димера цитохром bc1 комплекса, расположенного на противоположной стороне мембраны крист, а при набухании внутрикристного пространства перенос электронов прекращается. Этот механизм выполняет важную регуляторную роль. В условиях гипоксии для максимально эффективного расхода дефицитного кислорода митохондрии приобретают параллельную упаковку крист, в результате чего создается возможность одновременных контактов между димерами цитохром bc1 комплексов и снижается уровень АФК.

Таким образом, эпизодическая гипоксия может обеспечить защиту от клеточного стресса и апоптоза, снижая АФК [4], что является важнейшим вкладом в антивозрастную программу для продления активного долголетия.

1. Lukyanova L.D. Mitochondrial signaling in hypoxia. Open Journal of Endocrine and Metabolic Diseases, 2013, 3, 213-225 http://dx.doi.org/10.4236/ojemd.2013.33029

2. Vartapetian B.B., Andreeva I.N., Generozova I.P., Polyakova L.I., Maslova I.P., Dolgikh Y.I., Stepanova A.Y. Functional electron microscopy in studies of plant response and adaptation to anaerobic stress. Ann Bot., 2003, Spec no. 91, 155-172

3. Kasumov E.A., Kasumov R.E., Kasumova I.V. A mechano-chemiosmotic model for the coupling of electron and proton transfer to ATP synthesis in energy-transforming membranes: a personal perspective. Photosynth Res 123, 1–22 (2015). https://doi.org/10.1007/s11120-014-0043-3.

4. Heß V., Kasim M., Mathia S., Persson P.B., Rosenberger Ch., Fähling M. Episodic Hypoxia Promotes Defence Against Cellular Stress. Cell Physiol Biochem., 2019, vol. 52, pp. 1075-1091, doi: 10.33594/000000073

Hypoxia causes regularly developing changes in the ultrastructure of cells, and damage to mitochondria plays a decisive role in them. Pathology of mitochondria is expressed in the appearance of several typical forms of changes depending on the duration and severity of hypoxic exposure and is a complex multi-stage process [1]: stage 1, short-term activation of complex I of the electron transport chain and an increase in the content of cytochrome bc1 complexes subunits; stage 2, with increased hypoxia, suppression of complex I and compensatory activation of complex II occur; stage 3 (depletion) develops at very low pO2 values or prolonged hypoxic exposure and is accompanied by suppression of complex III (cytochrome bc1 complex), and then complex IV, which leads to deenergization of the cell.

At the same time, this hypoxic effect in stage 1 led to an increase in matrix density, an increase in the number of organelles with densely and parallel packed cristae, which reflects an increase in oxidative phosphorylation and a decrease in the level of reactive oxygen species (ROS). A similar effect of hypoxia occurs on plant mitochondria [2]. Prolonged hypoxia (stage 3) causes swelling of mitochondria with a decrease in cristae, condensation of the mitochondrial matrix, and an increase in the level of ROS.

The acquisition of parallel packed cristae of mitochondrial ultrastructure under the influence of the initial stages of hypoxia cannot be explained in terms of the classical mechanism of mitochondrial functioning, but can be easily explained using the mitochondrial- arginine theory of aging. This theory is based on a mechano-chemiosmotic coupling mechanism, where electron transfer, low-amplitude swelling-shrinkage of mitochondria, and ATP synthesis are coupled (https://www.youtube.com/watch?v=48jScej4dl0) [3]. According to this mechanism, when the intracristal space of mitochondria shrinks, an electron is transferred from the [2Fe-2S] cluster of one dimer to the heme c1 of another dimer of the cytochrome bc1 complex located on the opposite side of the cristal membrane, and when the intracristal space swells, electron transfer stops. This mechanism plays an important regulatory role. Under hypoxic conditions, for the most efficient consumption of deficient oxygen, mitochondria acquire a parallel packing of cristae, which creates the possibility of simultaneous contacts between dimers of cytochrome bc1 complexes and reduces the level of ROS.

Thus, episodic hypoxia can provide protection against cellular stress and apoptosis by reducing ROS [4], which is the most important contribution to the anti-aging program to prolong active longevity.

1. Lukyanova L.D. Mitochondrial signaling in hypoxia. Open Journal of Endocrine and Metabolic Diseases, 2013, 3, 213-225 http://dx.doi.org/10.4236/ojemd.2013.33029

2. Vartapetian B.B., Andreeva I.N., Generozova I.P., Polyakova L.I., Maslova I.P., Dolgikh Y.I., Stepanova A.Y. Functional electron microscopy in studies of plant response and adaptation to anaerobic stress. Ann Bot., 2003, Spec no. 91, 155-172

3. Kasumov E.A., Kasumov R.E., Kasumova I.V. A mechano-chemiosmotic model for the coupling of electron and proton transfer to ATP synthesis in energy-transforming membranes: a personal perspective. Photosynth Res 123, 1–22 (2015). https://doi.org/10.1007/s11120-014-0043-3.

4. Heß V., Kasim M., Mathia S., Persson P.B., Rosenberger Ch., Fähling M. Episodic Hypoxia Promotes Defence Against Cellular Stress. Cell Physiol Biochem., 2019, vol. 52, pp. 1075-1091, doi: 10.33594/000000073