БИОФИЗИКА, 2023, том 68, № 4, с. 695-704

БИОФИЗИКА КЛЕТКИ

УДК 576.33:577.352.5:591.1

СОЛИ КОРОТКОЦЕПОЧЕЧНЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ УСИЛИВАЮТ

АКТИВНОСТЬ Ca²⁺-АКТИВИРУЕМЫХ K⁺-КАНАЛОВ БОЛЬШОЙ

ПРОВОДИМОСТИ И СНИЖАЮТ КАЛЬЦИЕВЫЕ ОСЦИЛЛЯЦИИ

В GH3-КЛЕТКАХ КРЫСЫ

О.В. Яковлева*, Г.Ф. Ситдикова*

*Казанский (Приволжский) федеральный университет,

ул. Кремлевская, 18, Казань, Республика Татарстан, 420008, Россия

E-mail: guzel.sitdikova@kpfu.ru

Поступила в редакцию 27.12.2022 г.

После доработки 10.01.2023 г.

Принята к публикации 17.01.2023 г.

Короткоцепочечные жирные кислоты, к которым относятся уксусная, пропионовая, масляная кис-

лоты, являются метаболитами микробиоты, способными оказывать разнообразные физиологиче-

ские эффекты как в кишечнике, так и за его пределами, включая центральную нервную систему.

Целью нашей работы было исследование влияния ацетата, пропионата и бутирата натрия на актив-

ность Ca²⁺-активируемых K⁺-каналов большой проводимости и кальциевые осцилляции в культуре

GH3-клеток гипофиза крысы. Показано, что исследованные жирные кислоты вызывают дозозави-

симое увеличение амплитуды интегральных выходящих калиевых токов; эти эффекты предотвра-

щаются тетраэтиламмонием, что указывает на участие Ca²⁺-активируемых K⁺-каналов большой

проводимости в эффектах жирных кислот. Действительно, жирные кислоты повышали вероятность

открытия одиночных каналов без изменения амплитуды и среднего времени открытого состояния.

Кроме того, они приводили к значительному снижению амплитуды и частоты Ca²⁺-осцилляций в

GH3-клетках. Усиление калиевой проводимости и снижение уровня внутриклеточного Ca²⁺ при

действии короткоцепочечных жирных кислот может опосредовать их эффекты в различных возбу-

димых структурах, такие как снижение сократимости гладкомышечных клеток кишечника и сосу-

дов, гиперполяризация нейронов, регуляция высвобождения гормонов и медиаторов.

Ключевые слова: короткоцепочечные жирные кислоты, Ca²⁺-активируемые K⁺-каналы большой

проводимости, GH3-клетки, кальциевые осцилляции.

DOI: 10.31857/S0006302923040087, EDN: KKCIVI

лоректального рака [6-9]. Кроме того, КЦЖК

Короткоцепочечные

жирные

кислоты

участвуют в регуляции перистальтики кишечни-

(КЦЖК), к которым относятся уксусная, пропи-

ка, снижая спонтанную и вызванную агонистами

оновая и масляная кислоты, являются конечны-

холинорецепторов сократительную активность

ми продуктами анаэробной бактериальной фер-

[10-12]. Эффекты КЦЖК на двигательную функ-

ментации неперевариваемых углеводов или

цию кишечника могут варьировать при различ-

белков в толстой кишке, их суммарная концен-

ных патологических состояниях, например, при

трация может достигать 150 мМ [1-5]. КЦЖК

синдроме раздраженного кишечника, что может

поддерживают гомеостаз кишечника через целый

быть связано как с изменением концентрации,

ряд локальных эффектов, являясь источником

так и нарушением активности/экспрессии их ми-

энергии для колоноцитов, способствуя поддер-

шеней действия [12, 13].

жанию целостности кишечного барьера, продук-

Вне желудочно-кишечного тракта КЦЖК

ции слизи, защищая от токсического влияния не-

проявляют антигипертензивные свойства, вызы-

которых бактерий, воспаления и снижая риск ко-

вая расслабление резистивных артерий и усили-

вая высвобождение ренина [14-17]. В экспери-

Сокращения: КЦЖК - короткоцепочечные жирные кисло-

ментальном исследовании гипертензии, вызван-

ты, BK-каналы - Ca²⁺-активируемые K⁺-каналы большой

ной ангиотензином II у мышей, хроническое

проводимости, P_o - вероятность открытия одиночного ка-

нала.

введение бутирата улучшило индуцированную

695

696

ШАЙДУЛЛОВ и др.

ацетилхолином вазорелаксацию [18], а добавле-

ным раствором, содержащим 145 мМ NaCl, 5 мМ

ние ацетата предотвращало развитие гипертонии

KCl, 1 мМ MgCl₂, 1 мМ CaCl₂, 10 мМ HEPES, pН

и сердечной недостаточности [19]. Помимо эф-

доводили до 7.2 с помощью NaOH. Патч-кламп-

фектов в толстой кишке и периферических тка-

регистрацию в режиме «целая клетка» проводили

нях КЦЖК играют важную роль в оси микробио-

с использованием внутрипипеточного раствора

та-кишечник-мозг, поскольку могут преодоле-

следующего состава: 145 мМ KCl, 1 мМ MgCl₂,

вать гематоэнцефалический барьер с помощью

3.63 мМ CaCl₂, 10 мМ HEPES, 10 мМ EGTA,

транспортеров монокарбоксилатов, экспресси-

рующихся в эндотелиальных клетках, как было

pH 7.2, содержащего 0.5 мкМ свободного Ca²⁺

показано при их инфузии в сонную артерию кры-

(рассчитано с помощью расширенного калькулятора

сы [20]. Действительно, нарушения микробиоты

Webmaxc, https://somapp.ucdmc.ucdavis.edu/pharma-

cology/bers/maxchelator/webmaxc/webmaxcE.htm).

сопровождаются поведенческими и неврологиче-

скими патологиями, такими как депрессии, бо-

Для анализа эффектов КЦЖК использовали аце-

лезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, рас-

тат натрия, пропионат натрия и бутират натрия в

стройства аутистического спектра, тогда как вве-

концентрациях 1, 3 или 5 мМ. Аппликацию ис-

дение КЦЖК может оказывать позитивное

следуемых веществ проводили в течение 3 мин.

влияние на такие состояния [21].

Патч-пипетки изготавливали из боросиликат-

Механизмы действия КЦЖК включают акти-

ных стеклянных капилляров (Sutter Instrument,

вацию G-белок-ассоциированных рецепторов

США) с помощью вытягивающего устройства

GPR41, GPR43 и GPR109a, которые экспрессиру-

фирмы Narishigi (Япония). Сопротивление элек-

ются во многих органах, включая тонкий и тол-

тродов составляло от 3 до 8 МΩ. Далее с помощью

стый кишечник, иммунные клетки, жировую

микроманипулятора стеклянную пипетку подво-

дили к клетке для формирования гигаомного

ткань, сердце, скелетные мышцы и нейроны[22].

контакта с мембраной. Значения емкости (C_m)

В энтеральных нейронах и гладкомышечных

клетках были обнаружены мембранные эффекты

для каждой клетки определяли из параметров

КЦЖК - усиление калиевых токов и гиперполя-

«мембранного теста» (pClamp 10.7; Axon Instru-

ризация, что сопровождалось также повышением

ments/Molecular Devices, США) через 5-10 мин

после установления гигаомного контакта в усло-

уровня внутриклеточного кальция [14, 23-26],

виях «whole-cell» («целая клетка») при фиксации

однако прямые эффекты на BK-каналы (Ca²⁺-ак-

потенциала на уровне мембранного потенциала

тивируемые K⁺-каналы большой проводимости)

покоя.

не были исследованы.

Для регистрации выходящих K⁺-токов ис-

Целью нашей работы был анализ влияния на-

пользовали конфигурацию «целая клетка», в ко-

триевых солей КЦЖК на выходящие K⁺ токи и

торой ионные токи вызывались в ответ на серию

активность одиночных BK-каналов и спонтан-

деполяризующих импульсов длительностью

ные Ca²⁺ осцилляции в культуре GH3-клеток ги-

500 мс от -80 мВ до 80 мВ с интервалом 20 мВ. Ак-

пофиза крысы.

тивность одиночных каналов регистрировали в

конфигурации «outside-out» при потенциале фик-

сации 30 мВ. Записи в режиме «целая клетка» или

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

«outside-out» были сделаны с помощью усилителя

Регистрация активности кальций-активируемых

Axopatch-200B, подключенного к интерфейсу

калиевых каналов большой проводимости в культу-

Digidata 1440A, с использованием программного

обеспечения pClamp 10.7. Частота дискретизации

ре GH3 клеток методом патч-кламп. Для исследо-

для одноканальной записи составляла 10 кГц.

вания активности BK-каналов использовали ли-

Данные были отфильтрованы с помощью низко-

нию GH3-клеток (DSMZ, Германия), характери-

зующуюся высокой экспрессией α-субъединицы

частотного четырехполюсного фильтра Бесселя,

BK-каналов [27]. GH3-клетки культивировали

настроенного на 1 кГц, и проанализированы с по-

мощью программного обеспечения Clampfit

при температуре 37°C, 5% CO₂ и влажности 95% в

(Axon Instruments/Molecular Devices, США).

среде MEM (Sigma, Великобритания), дополнен-

ной 7%-й эмбриональной бычьей сывороткой и

Флуоресцентная микроскопия. Для анализа

3%-й лошадиной сывороткой (обе - Gibco, Но-

влияния КЦЖК на спонтанные кальциевые ос-

вая Зеландия). Клетки культировали на покров-

цилляции использовали флуоресцентный маркер

ных стеклах, покрытых 0.01% поли-D-лизином

Fluo-4 AM (1 мкМ). Для окрашивания GH3-клет-

(Sigma, Великобритания). Регистрацию электри-

ки инкубировали во внеклеточном растворе, со-

ческих ответов проводили на третьи-четвертые

держащем краситель, в течение 40 мин при тем-

сутки после высаживания. Все эксперименты бы-

пературе 37°C в отсутствие света. Далее клетки

ли выполнены при комнатной температуре при

промывали внеклеточным раствором 10-20 мин

непрерывной перфузии стандартным внеклеточ-

для обеспечения полной деэтерификации слож-

БИОФИЗИКА том 68

№ 4

2023

СОЛИ КОРОТКОЦЕПОЧЕЧНЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

697

ных эфиров АМ, после чего проводили флуорес-

ция КЦЖК в концентрациях 1, 3 и 5 мМ приводи-

центную визуализацию окрашенных клеток при

ла к дозозависимым изменениям амплитуды ин-

помощи микроскопа AxioScope A1 (Carl Zeiss,

тегральных K⁺-токов в GH3-клетках (рис. 1).

Германия), оснащенного водным иммерсион-

Ацетат натрия в концентрации 1 мМ не приво-

ным объективом PlanNeofluar 63×/0.9NA. Реги-

дил к достоверному изменению амплитуды токов

страцию проводили с использованием фильтра

(p > 0.05, n = 12; табл. 1), в концентрации 3 мМ

возбуждения (BP450-490 нм), светоделителя

увеличивал амплитуду токов на 67% (p < 0.05,

(FT510 нм) и фильтра эмиссии (LP555 нм). Флуо-

n = 12; рис. 1а,б), а при 5 мМ - на 77% (p < 0.05,

ресцентные картины регистрировали с помощью

n = 6; табл. 1). Эффекты ацетата натрия в концен-

высокоскоростной камеры AxioCam MRm (Carl

трациях 3 и 5 мМ достоверно отличались от его

Zeiss, Германия). Запись флуоресцентных изоб-

эффекта в концентрации 1 мМ (p < 0.05), а отли-

ражений проводили в течение 30 с, время экспо-

чия между концентрациями 3 и 5 мМ не наблюда-

зиции - 500 мс. Далее интенсивность свечение

лись (p > 0.05).

анализировали с помощью программного обес-

печения ImageJ.

Пропионат натрия в концентрации 1 мМ вы-

зывал увеличение амплитуды тока на

41%

Анализ данных. Вероятность открытия одиноч-

(p < 0.05, n = 12; табл. 1), в концентрации 3 мМ -

ного канала (P_o) оценивали, как P_o = NP/n, где

на 111% (p < 0.05, n = 12; рис. 1в,г), а при увеличе-

NP = [(t_o)/(t_o + t_c)] - вероятность открытия кана-

нии концентрации до 5 мМ - на 147% (p < 0.05,

лов, t_o - суммарное время открытого состояния,

n = 12; табл. 1. Эффекты пропионата натрия в

tc - суммарное время закрытого состояния, а n -

концентрациях 3 и 5 мМ достоверно отличались

количество уровней открытия каналов в патче.

от его эффекта в концентрации 1 мМ (p < 0.05),

отличия между концентрациями 3 и 5 мМ не на-

Вольтамперные характеристики (I-V) K⁺-токов

были построены на основе измерений амплитуд

блюдались (p > 0.05).

тока в конце тестовых импульсов, нормализован-

Добавление бутирата натрия в концентрации

ных к емкости клеток (пА/пФ). Среднюю ампли-

1 мМ не вызывало достоверных изменений ам-

туду, частоту и длительность колебаний Ca²⁺-ос-

плитуды K⁺-токов (p > 0.05, n = 12; рис. 1ж,

цилляций определяли в пакете MATLAB (Math-

табл. 1). Повышение концентрации бутирата на-

Works, США). Флуоресценцию пика выражали

трия до 3 мМ и 5 мМ приводило к увеличению ам-

как относительное изменение флуоресценции

плитуды токов на 73% (p < 0.05, n = 12) и 142%, со-

(F - F_o)/F_o для каждого кадра каждого измере-

ответственно (p < 0.05, n = 12; рисунок 1д,е,

ния, где F - пиковая флуоресценция окрашенных

табл. 1). При этом эффекты бутирата натрия в

клеток, а F_o - фоновая флуоресценция вблизи

различных концентрациях достоверно различа-

данной клетки. Количественный анализ флуо-

лись между собой (p < 0.05).

ресцентных изображений проводили с помощью

Для выявления роли BK-каналов в эффектах

программы OriginPro 2015 (OriginLab, США).

КЦЖК мы использовали тетраэтиламмоний

Статистический анализ проводили с помощью

(1 мМ), который в низких концентрациях специ-

стандартных методик, нормальность распределе-

фически блокирует BK-каналы [28]. Аппликация

ния выборки определяли при помощи F-теста

тетраэтиламмония приводила к значительному

Фишера и критерия Шапиро-Уилка с использо-

снижению амплитуды выходящих K⁺-токов. При

ванием программы OriginPro 2015 (OriginLab,

этом на фоне его действия эффекты КЦЖК на

США). Достоверность различий определяли с по-

выходящие K⁺-токи не проявлялись. В качестве

мощью параметрического парного t-критерия

примера приведены эффекты ацетата натрия на

Стьюдента или дисперсионный анализ (ANOVA)

фоне тетраэтиламмония (p > 0.05, n = 5; рис. 1з).

с применением теста Бонферрони для сравнения

Было предположено, что усиление выходящих

независимых выборок. Значение p < 0.05 счита-

K⁺-токов при действии КЦЖК обусловлено ак-

лось статистически значимым. Все результаты

тивацией BK-каналов. Поэтому далее мы анали-

были представлены как среднее ± ошибка сред-

зировали влияние КЦЖК на характеристики

ней, n равно количеству клеток.

одиночных BK-каналов.

Активность одиночных BK-каналов регистри-

РЕЗУЛЬТАТЫ

ровали при потенциале фиксации 30 мВ. В кон-

Эффекты КЦЖК на выходящие интегральные

троле средняя вероятность открытия (P_o) BK-ка-

калиевые токи и активность одиночных BK-ка-

налов составила

0.041

± 0.008. Аппликация

налов. Регистрацию интегральных K⁺-токов про-

КЦЖК приводило к значительному усилению ак-

водили в режиме фиксации потенциала (voltage-

тивности каналов. Так, уже в течение 1 мин при-

clamp) в конфигурации «целая клетка» в ответ на

менения ацетата натрия и пропионата натрия

серию деполяризующих потенциалов. Апплика-

(3 мМ) Р_o увеличивалась на 25% (с 0.053±0.01 до

БИОФИЗИКА том 68

№ 4

2023

СОЛИ КОРОТКОЦЕПОЧЕЧНЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

699

Таблица 1. Плотность выходящих K+-токов (пА/пФ) при действии КЦЖК в режиме фиксации потенциала

Концентрации КЦЖК

Вещество

Контроль

1 мМ

Контроль

3 мМ

Контроль

5 мМ

Ацетат

96.95 ± 12.07

108.97 ± 19.24

112.06 ± 12.49

186.93 ± 28.42*

78.09 ± 19.76

138.78 ± 34.87*

натрия

Пропионат

95.32 ± 19.88

134.49 ± 20.35*

89.95 ± 18.21

189.7 ± 32.96*

126.73 ± 18.28

314.12 ± 21.7*

натрия

Бутират

96.36 ± 18.27

154.49 ± 28.54

145.29 ± 27.19

251.48 ± 32.96*

137.69 ± 18.69

342.34 ± 21.82*

натрия

Примечание. Потенциал фиксации - 60 мВ; * - p < 0.05 относительно контроля.

0.067±0.01; рис. 2а,б) и 71% (с 0.04 ± 0.012 до

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

0.07 ±

0.016; рис.

2в,г) от уровня контроля

(p < 0.05, n

= 5). Эффекты бутирата натрия

Метаболиты микробиоты играют важную роль

(рис. 2д,е) были более значительными и P_o увели-

в регуляции целостности кишечного барьера,

местных иммунных реакций, а также оказывают

чилась на 221% (с 0.06 ± 0.01 до 0.13 ± 0.02;

влияние на перистальтику кишечника и нервную

p < 0.05, n = 5; рис. 2ж), что было достоверно

регуляцию функций желудочно-кишечного трак-

больше эффектов ацетата и пропионата натрия

та [29]. Кроме того, все больше данных указывают

(p < 0.05; рис. 2ж).

на регулирующее влияние КЦЖК вне желудоч-

При этом амплитуда и среднее время открыто-

но-кишечного тракта, в том числе в нервной си-

го состояния BK-каналов при действии всех

стеме [21]. В настоящей работе мы с использова-

КЦЖК достоверно не изменялись (p > 0.05, n = 5;

нием культуры GH3-клеток впервые показали,

рис. 2з,и). Таким образом, КЦЖК увеличивают

что все три исследованные КЦЖК вызывают не-

амплитуду выходящих калиевых токов в GH3-

посредственную активацию BK-каналов и угне-

клетках и повышают вероятность открытия BK-

тают спонтанные Ca²⁺-осцилляции.

каналов без изменения их амплитуды и времен-

ной кинетики.

Уксусная, пропионовая и масляная кислоты

Эффекты короткоцепочечных жирных кис-

являются продуктами ферментации углеводов и в

лот на кальциевые осцилляции. Для анализа вли-

высоких миллимолярных концентрациях обнару-

живаются как в толстой (до 150 мМ), так и в под-

яния КЦЖК на Ca²⁺-осцилляции в GH3-клетках ис-

вздошной кишке (до 40 мМ) [3, 5, 30, 31]. КЦЖК

пользовали флуоресцентный маркер Fluo-4 AM.

могут абсорбироваться из кишечника пассивно

В контроле GH3-клетки демонстрировали ре-

или с помощью транспортеров монокарбоксила-

гулярные изменения уровня внутриклеточного

тов, экспрессирующихся в эпителии. Бутират яв-

Ca²⁺ со средней частотой 5.63 ± 0.3 имп/мин.

ляется предпочтительным источником энергии

Применение КЦЖК в концентрации 3 мМ при-

для колоноцитов и потребляется локально, тогда

водило к значительному снижению амплитуды и

как другие абсорбированные КЦЖК попадают в

частоты осцилляций (рис. 3). На фоне действия

воротную вену и в основном метаболизируются в

ацетата натрия амплитуда снижалась на 45% (с

печени. Однако дистальная часть толстой кишки

0.28 ± 0.02 о.е. в контроле и до 0.15 ± 0.02 о.е. к

не входит в систему портальной вены, что увели-

5-й минуте добавления; p < 0.05, n = 10; рис. 3а,б),

чивает доступ КЦЖК в системное кровообраще-

частота снизилась на 22% (с 6.27 ± 1.03 имп/мин

ние [32]. В физиологических условиях уровень

до 4.93 ± 0.75 имп/мин; p < 0.05, n = 10). Апплика-

КЦЖК в периферической крови низкий (в преде-

ция пропионата натрия снизила амплитуду ос-

лах микромолярных - низких миллимолярных

цилляций на 30% (с 0.12 ± 0.01 о.е. до 0.08 ±

концентраций) вследствие их метаболизма в пе-

± 0.01 о.е.; p < 0.05, n = 7; рис. 3в,г), частота коле-

чени, с наибольшим распространением ацетата

баний достоверно снизилась на 35% (с 4.43 ±

[22, 33, 34]. Тем не менее, диета с высоким содер-

± 0.55 имп/мин до 2.87 ± 0.44 имп/мин; p < 0.05,

жанием клетчатки повышает общий уровень

n = 7). Бутират натрия также снижал амплитуду

КЦЖК в крови с преобладанием ацетата - до

на 45% (с 0.11 ± 0.01 о.е. до 0.06 ± 0.01 о.е.; p < 0.05,

300 мкМ [35]. Более того, введение масляной кис-

n = 10; рис. 3д,е) и частоту осцилляций на 48% от-

лоты в рацион или инъекции пропионата повы-

носительно контроля (с 4.69 ± 0.27 имп/мин в

шают уровни КЦЖК до высоких микромолярных

контроле до 2.44 ± 0.27 имп/мин; p < 0.05, n = 10).

или даже миллимолярных концентраций [36-38].

БИОФИЗИКА том 68

№ 4

2023

700

ШАЙДУЛЛОВ и др.

Рис. 2. Эффекты КЦЖК на активность одиночных BK-каналов. Пример оригинальной записи активности одиночных

каналов в контроле и при аппликации ацетата натрия (а), пропионата натрия (в) и бутирата натрия (д) в концентрации

3 мМ. Вероятность открытия BK-каналов в контроле, в течение 3 мин применения ацетата натрия (б), пропионата

натрия (г) и бутирата натрия (е) в концентрации 3 мМ и во время отмывки. Влияние ацетата натрия (белый столбик),

пропионата натрия (серый столбик) и бутирата натрия (черный столбик) в концентрациях 3 мМ на вероятность открытия

BK-каналов (ж). За 100% принята величина Po в контроле. Амплитуда (з) и среднее время открытого состояния (и) BK-

каналов в контроле (белый столбик) и при действии ацетата натрия (серый столбик), пропионата натрия (темно-серый

столбик) и бутирата натрия (черный столбик) в концентрациях 3 мМ. *- p < 0.05 относительно контроля, # - p < 0.05

относительно эффектов ацетата натрия и бутирата натрия.

Транспортеры монокарбоксилатов экспресси-

могут влиять на работу центральной нервной си-

руются и в гематоэнцефалическом барьере [39],

стемы, регулируя экспрессию генов, повышая

поэтому ацетат и другие КЦЖК, проникая в мозг,

уровень нейротрофического фактора мозга, ней-

БИОФИЗИКА том 68

№ 4

2023

СОЛИ КОРОТКОЦЕПОЧЕЧНЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

701

Рис. 3. Эффекты КЦЖК на Ca²⁺-осцилляции в GH3-клетках. Примеры колебаний свечения флуоресцентного красителя

в GH3-клетках в контроле и при действии ацетата натрия (а), пропионата натрия (в) и бутирата натрия (д). Изменение

амплитуды Ca²⁺-осцилляций GH3-клеток в контроле и на фоне аппликации КЦЖК: ацетата натрия (б), пропионата

натрия (г) и бутирата натрия (е). * - p < 0.05 относительно контроля.

рогенез, синтез и высвобождение нейромедиато-

КЦЖК - рецепторы жирных кислот GPR41,

ров и нейропептидов [40-42]. Независимо от

GPR43 и GPR109a, однако агонисты этих рецеп-

бактериального метаболизма этанол является ис-

торов не всегда имитируют эффекты КЦЖК, а

точником уксусной кислоты, которая высвобож-

антагонисты не предотвращают их действие [46].

дается в кровеносное русло, и может влиять на

различные органы и ткани, включая мозг,

BK-каналы широко распространены в различ-

при хроническом приеме алкоголя ее концентра-

ных тканях, включая нейрональные и гладкомы-

ции могут увеличиваться до 0.5 мМ [43-45]. Сре-

шечные клетки, играют важную роль в регуляции

ди известных клеточных механизмов действия

электрической возбудимости, генерации потен-

БИОФИЗИКА том 68

№ 4

2023

702

ШАЙДУЛЛОВ и др.

циалов действия, секреции медиаторов/гормонов

дозозависимое угнетение спонтанной и вызван-

ной карбахолином сократительной активности

или регуляции входящего Ca²⁺-тока по принципу

препаратов толстой кишки мыши [12, 53]. В ней-

отрицательной обратной связи [47-51]. Было по-

ронах гиппокампа представитель КЦЖК ацетат

казано, что уксусная кислота усиливает выходя-

натрия гиперполяризовал мембрану и снижал ча-

щие K⁺-токи, активируя BK-каналы в гладкомы-

стоту потенциалов действия [54].

шечных клетках детрузора морской свинки [26]. В

GH3-клетки по своему происхождению отно-

нашей работе мы использовали натриевые соли

сятся к клеткам переднего гипофиза - соматотро-

КЦЖК, которые в концентрации 1, 3 и 5 мМ вы-

фам, выделяющим гормон роста и пролактин, и

зывали повышением амплитуды выходящих K⁺-

характеризуются наличием Ca²⁺-осцилляций,

токов в GH3-клетках. Поскольку GH3-клетки ха-

возникающих вследствие спонтанных потенциа-

рактеризуются высокой экспрессией BK-кана-

лов, было предположено, что усиление выходя-

лов действия и входа Са²⁺ через потенциалзави-

щих K⁺-токов связано с активацией BK-каналов.

симые Са²⁺-каналы, а активность ВК-каналов в

Действительно, эффекты КЦЖК предотвраща-

зависимости от локализации определяет как под-

лись тетраэтиламмонием (1 мМ), который в низ-

держание спонтанной активности, так и ее пре-

ких концентрациях является ингибитором BK-

кращение [55]. Нами выявлены прямые эффекты

каналов [28].

КЦЖК на ВК-каналы, значительное усиление

активности которых будет приводить в гиперпо-

Активация BK-каналов зависит от потенциала

ляризации и инактивации потенциалзависимых

мембраны и уровня внутриклеточного Ca²⁺. В эн-

Са²⁺-каналов и, соответственно, прекращению

теральных нейронах бутират натрия вызывал ги-

перполяризацию мембраны, что блокировалось

Са²⁺-осцилляций [56, 57].

харибдотоксином, ингибитором BK-каналов [23,

Активация BK-каналов и снижение Ca²⁺-ос-

24]. Авторами было предположено, что этот эф-

цилляций в передней доле гипофиза будет приво-

фект связан с повышением уровня внутриклеточ-

дить к нарушению высвобождения гормона роста

ного Ca²⁺, однако надо отметить, что в данных

и инсулин-подобного фактора, которые оказыва-

работах использовались сверхвысокие концен-

ют влияние не только на рост и развитие потом-

трации бутирата натрия (50 мМ и более) [23-25].

ства, но также вовлечены в регуляцию когнитив-

Усиление активности BK-каналов в результате

ных функций и нейропротекцию при патологиях

высвобождения Са²⁺ из внутриклеточных депо

нервной системы [58-60].

вследствие активации G-белок-ассоциирован-

ных рецепторов в гладкомышечных клетках бры-

ВЫВОДЫ

жеечной артерии было показано и для пропиона-

та натрия в концентрации 25 мМ [14].

Таким образом, в результате нашего исследо-

вания было показано, что соли КЦЖК - ацетат

Для выявления прямых эффектов КЦЖК на

натрия, пропионат натрия и бутират натрия вы-

BK-каналы мы анализировали их влияние на ак-

зывают дозозависимое повышение амплитуды

тивность каналов в условиях регистрации outside-

выходящих калиевых токов в культуре GH3-кле-

out. Ацетат, пропионат и бутират натрия в кон-

ток гипофиза крысы. Этот эффект предотвращал-

центрации 3 мМ вызывали резкое и значительное

ся тетраэтиламмонием в концентрации 1 мМ, что

повышение вероятности открытия BK-каналов

уже в первые секунды аппликации, эффект со-

указывает на участие Ca²⁺-активируемых K⁺-ка-

хранялся в течение 3 мин подачи вещества и пере-

налов большой проводимости. Действительно, в

ставал проявляться при подаче контрольного рас-

условиях патч-кламп регистрации одиночных

твора. Наиболее эффективным действием обла-

BK-каналов в конфигурации outside-out КЦЖК

дал бутират натрия, который в первую минуту

повышали вероятность открытия без изменения

аппликации увеличивал P_o в три раза. КЦЖК при

амплитуды и среднего времени открытого состо-

яния. Усиление калиевой проводимости при дей-

этом не изменяли амплитудно-временные харак-

ствии КЦЖК может опосредовать их эффекты в

теристики работы одиночных каналов. Получен-

различных возбудимых структурах, такие как

ные данные впервые указывают на прямые эф-

снижение сократимости гладкомышечных кле-

фекты КЦЖК на BK-каналы, активация которых

ток кишечника [12, 53], расслабление сосудов, ги-

будет приводить к гиперполяризации мембраны

перполяризацию нейронов в периферической и

и/или уменьшению длительности потенциала

центральной нервной системе, снижение высво-

действия. Эти эффекты могут лежать в основе

бождения гормонов и нейромедиаторов [23, 24,

угнетающего влияния КЦЖК на двигательную

активность кишечника, продемонстрированные

50, 51, 54]. Угнетение частоты и амплитуды Ca²⁺-

в ряде исследований [10, 52]. Нами недавно было

осцилляций в GH3-клетках гипофиза, ответ-

показано, что КЦЖК, действуя на гладкомышеч-

ственных за спонтанное высвобождение гормона

ные клетки и на энтеральные нейроны, вызывают

роста, будет приводить к нарушению регуляции

БИОФИЗИКА том 68

№ 4

2023

СОЛИ КОРОТКОЦЕПОЧЕЧНЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

703

процессов роста, развития и функциональной

18. S. Kim, R. Goel, A. Kumar, et al., Clin. Sci., 132, 701

пластичности мозга как в пре-, так и постнаталь-

(2018).

ном онтогенезе [58-60].

19. F. Z. Marques, E. Nelson, P. Y. Chu, et al., Circulation,

135, 964 (2017).

20. W. H. Oldendorf, Am. J. Physiol., 224, 1450 (1973).

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

21. Y. P. Silva, A. Bernardi, and R. L. Frozza, Front. En-

Работа выполнена при финансовой поддержке

docrinol. (Lausanne), 11, 25 (2020).

Российского научного фонда (грант № 22-25-

22. B. Dalile, L. Van Oudenhove, B. Vervliet, and K. Ver-

20045).

beke, Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol., 16,

461

(2019).

23. G. Haschke, H. Schäfer, and M. Diener, Neurogastro-

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

enterol. Motil., 14, 133 (2002).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

24. S. A. Hamodeh, M. Rehn, G. Haschke, and M. Diener,

интересов.

Neurogastroenterol. Motil., 16, 597 (2004).

25. R. Nitschke, N. Benning, S. Ricken, et al., Pflugers

Arch. Eur. J. Physiol., 434, 466 (1997).

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

26. S. Ghatta, I. Lozinskaya, Z. Lin, et al., Eur. J. Pharma-

Настоящая работа не содержит описания ис-

col., 563, 203 (2007).

следований с использованием людей и животных

27. G. F. Sitdikova, T. M. Weiger, and A. Hermann,

в качестве объектов.

Pflugers Arch. Eur. J. Physiol., 459, 389 (2010).

28. K. D. Thornbury, S. M. Ward, and K. M. Sanders, Am.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

J. Physiol. - Cell Physiol., 263 (1992).

29. E. Distrutti, L. Monaldi, P. Ricci, and S. Fiorucci,

G. Den Besten, K. Van Eunen, A. K. Groen, et al., J.

World J. Gastroenterol., 22, 2219 (2016).

Lipid Res., 54, 2325 (2013).

30. J. H. Cummings and G. T. Macfarlane, J. Appl. Bacte-

S. Deleu, K. Machiels, J. Raes, et al., EBioMedicine,

riol., 70, 443 (1991).

66, 103293 (2021).

31. J. Fernandes, W. Su, S. Rahat-Rozenbloom, et al., Nu-

E. Hosseini, C. Grootaert, W. Verstraete, and T. Van de

tr. Diabetes, 4, e121 (2014).

Wiele, Nutr. Rev., 69, 245 (2011).

32. D. F. MacFabe, Microb. Ecol. Heal. Dis., 26 (2015).

D. P. Venegas, M. K. De La Fuente, G. Landskron, et

33. J. H. Cummings, E. W. Pomare, H. W. J. Branch, et al.,

al., Front. Immunol., 10, 277 (2019).

Gut, 28, 1221 (1987).

E. Stachowska, M. Wiśniewska, A. Dzieżyc, and A. Bo-

34. S. G. Peters, E. W. Pomare, and C. A. Fisher, Gut, 33,

hatyrewicz, Eur. Rev. Med. Pharmacol. Sci., 25, 4570

1249 (1992).

(2021).

35. A. N. Thorburn, C. I. McKenzie, S. Shen, et al., Nat.

D. L. Topping and P. M. Clifton, Physiol. Rev., 81,

Commun. 6, 7320 (2015).

1031 (2001).

36. M. J. Edelman, K. Bauer, S. Khanwani, et al., Cancer

S. Fukuda, H. Toh, K. Hase, et al., Nature, 469, 543

Chemother. Pharmacol., 51, 439 (2003).

(2011).

37. I. Kimura, D. Inoue, T. Maeda, et al., Proc. Natl.

A. L. Kau, P. P. Ahern, N. W. Griffin, et al., Nature,

Acad. Sci. USA, 108, 8030 (2011).

474, 327 (2011).

38. Z. Jirsova, M. Heczkova, H. Dankova, et al., Biomed

K. M. Maslowski, A. T. Vieira, A. Ng, et al., Nature,

Res. Int., 2019, ID 7084734 (2019).

461, 1282 (2009).

39. N. Vijay and M. Morris, Curr. Pharm. Des., 20, 1487

10.

N. R. Hurst, D. M. Kendig, K. S. Murthy, and

(2014).

J. R. Grider, Neurogastroenterol. Motil.,

26,

1586

40. G. Frost, M. L. Sleeth, M. Sahuri-Arisoylu, et al., Nat.

(2014).

Commun., 5, ID 3611 (2014).

11.

E. Suply, P. de Vries, R. Soret, et al., Am. J. Physiol. -

41. V. Braniste, M. Al-Asmakh, C. Kowal, et al., Sci.

Gastrointest. Liver Physiol., 302, G1373 (2012).

Transl. Med., 6, 263ra158 (2014), DOI: 10.1126/sci-

12.

I. F. Shaidullov, D. M. Sorokina, F. G. Sitdikov, et al.,

translmed.3009759

BMC Gastroenterol., 21, 1 (2021).

42. R. Mirzaei, B. Bouzari, S. R. Hosseini-Fard, et al.,

13.

F. Fan, Y. Chen, Z. Chen, et al., Mol. Pain., 17 (2021).

Biomed. Pharmacother., 139, 111661 (2021).

14.

W. Zhang, X. Feng, Y. Zhang, et al., J. Cell. Mol. Med.,

43. H. Nuutinen, K. Lindros, P. Hekali, and M. Salaspuro,

24, 3192 (2020).

Alcohol, 2, 623 (1985).

15.

N. Natarajan and J. L. Pluznick, Am. J. Physiol. - Cell

44. R. A. Waniewski and D. L. Martin, J. Neurosci., 18,

Physiol., 307, C979 (2014).

5225 (1998).

16.

J. L. Pluznick, Gut Microbes., 5, 202 (2013).

45. D. K. Deelchand, A. A. Shestov, D. M. Koski, et al.,

17.

N. Natarajan, D. Hori, S. Flavahan, et al., Physiol. Ge-

Am. J. Physiol. - Gastrointest. Liver Physiol., 315,

nomics, 48, 826 (2016).

G53 (2018).

БИОФИЗИКА том 68

№ 4

2023

704

ШАЙДУЛЛОВ и др.

46. H. Berkefeld, B. Fakler, and U. Schulte, Physiol. Rev.,

53. N. Cullen and P. L. Carten, Brain Res., 588, 49 (1992).

90, 1437 (2010).

54. S. S. Stojilkovic, J. Tabak, and R. Bertram, Endocr.

47. A. Hermann, G. F. Sitdikova, and T. M. Weiger, Bio-

Rev., 31, 845 (2010).

molecules, 5, 1870 (2015).

48. И.Ф. Шайдуллов, М.У. Шафигуллин, Д.М. Габи-

55. I. Shaidullov, E. Ermakova, A. Gaifullina, et al.,

това и др., Журн. эволюц. биохимии и физиоло-

Pflugers Arch. Eur. J. Physiol., 473, 67 (2021).

гии, 54 (5), 355 (2018).

56. M. N. Yoon, M. J. Kim, H. S. Koong, D. K. Kim,

49. A. N. Mustafina, A. V. Yakovlev, A. S. Gaifullina, et al.,

S. H. Kim, H. S. Park, Alcohol., 63, 53 (2017).

Biochem. Biophys. Res. Commun., 465, 825 (2015).

50. A. S. Gaifullina, A. V. Yakovlev, A. N. Mustafina, et al.,

57. V. Andreu-Fernández, A. Bastons-Compta, E. Navar-

FEBS Lett., 590, 3375 (2016).

ro-Tapia, et al., Sci. Rep., 9 (1), 1562 (2019).

51. N. B. Dass, A. K. John, A. K. Bassil, et al., Neurogas-

58. N. D. Åberg, K. G. Brywe, and J. Isgaard, Sci. World J.,

troenterol. Motil., 19, 66 (2007).

6, 53 (2006).

52. И. Ф. Шайдуллов, Н. Н. Хаертдинов, Д. Н. Шара-

футдинова и др., Уч. записки КГВАМ им. Н.Э. Ба-

59. F. Nyberg and M. Hallberg, Nat. Rev. Endocrinol., 9,

умана, 249 (1), 240 (2022).

357 (2013).

Salts of Short-Chain Fatty Acids Increase the Activity of the Large Conductance,

Ca²⁺-Activated K⁺ Channels and Reduce Calcium Oscillations in Rat GH3 Cells

I.F. Shaidullov*, E.V. Ermakova*, D.M. Sorokina*, O.V. Yakovleva*, and G.F. Sitdikova*

*Kazan (Volga region) Federal University, Kremlevskaya ul., 18, Kazan, Republic of Tatarstan, 420008 Russia

The short-chain fatty acids such as acetic, propionic and butyric acids are microbiota metabolites that can

exert a series of physiological effects both in the intestine and other organs, including the central nervous sys-

tem. The present work aimed to examine the effects of sodium acetate, propionate, and butyrate on the ac-

tivity of large conductance Ca²⁺ activated K⁺ channels and calcium oscillations in rat pituitary GH3 cells. It

has been shown that fatty acids under study cause a dose-dependent increase in the amplitude of total out-

ward potassium currents and these effects are prevented by tetraethylammonium, a Ca²⁺ activated K⁺ chan-

nel blocker, indicating the involvement of Ca²⁺ activated K⁺ channels in the effects of fatty acids. It is worthy

of note that fatty acids increased open probability of single channels with no changes in the amplitude and

the mean channel open time. In addition, fatty acids were associated with a significant reduction in the am-

plitude and frequency of Ca²⁺ oscillations in GH3 cells. An increase in potassium conductance and a de-

crease in the intracellular Ca²⁺ level can mediate the effects of short-chain fatty acids in various excitable

structures, such as a relaxation of intestinal and vascular smooth muscle cells, hyperpolarization of neurons,

and the regulation of hormone and neurotransmitter release.

Keywords: short-chain fatty acids, large conductance Ca2+ activated K+ channels, GH3 cells, calcium oscilla-

tions

БИОФИЗИКА том 68

№ 4

2023