Данная работа не уникальна. Ее можно использовать, как базу для подготовки к вашему проекту.

Биоэнергетика: преобразование энергии в биологических системах и роль нарушений энергетики клетки в патологических процессах

1. Биоэнергетика клетки

клетка митохондрия энергетика энергия

Молекулярные механизмы потребления энергии живой клеткой, механизмы преобразования энергии в клетке в форму, которая может быть использована для совершения различных видов полезной работы (биосинтез, транспорт веществ, мышечное сокращение и т.д.) изучает Биоэнергетика – наука о «судьбе» энергии в клетке. Энергетика биологических мембран (биоэнергетика) представляет одну из точек роста современной биохимии, биофизики, физико-химической биологии.

Источником энергии для большинства биологических процессов является Солнце. Фотосинтезирующие организмы используют энергию света, излучаемого Солнцем, для синтеза органических соединений, которые, в свою очередь, служат строительным материалом и источником энергии для животных и других организмов, неспособных самостоятельно усваивать энергию солнечного света. Энергия света, поглощаемого фотосинтезирующими организмами, в ходе многочисленных световых и темновых стадий фотосинтеза преобразуется в химическую энергию макроэргических (богатых энергией) соединений, которые и являются непосредственным источником энергии для процессов биосинтеза. К числу наиболее важных макроэргических соединений, которые служат универсальным источником химической энергии для всех организмов, относится молекула аденозинтрифосфорной кислоты (ATP). Молекула АТР впервые выделена в 1929 году Фиске и Суббароу из кислых экстрактов мышц. Вскоре после этого было установлено, что АТР является участником большинства процессов энергетического обмена в живой клетке. В 1931 году академик В.А. Энгельгардт обнаружил связь между синтезом АТР и клеточным дыханием (явление окислительного фосфорилирования). Позднее он установил, что АТР участвует в мышечном сокращении. В 1941 году Липман сформулировал основной закон биоэнергетики, согласно которому энергия внешнего источника сначала запасается в форме химической энергии молекул АТР и лишь затем используется для совершения полезной работы. Представление об АТР как универсальной «энергетической валюте» нашло многочисленные подтверждения и стало краеугольным камнем всей биоэнергетики. Подавляющее большинство энергоемких биологических процессов, таких, как реакции биосинтеза, перенос ионов и различных веществ внутри клетки, мышечное сокращение, сопряжено с энергодонорной реакцией гидролиза АТР, в ходе которой происходит выделение энергии:

Данная работа не уникальна. Ее можно использовать, как базу для подготовки к вашему проекту.

ATP + Н2О => ADP (аденозиндифосфорная кислота) + Pi (неорганический фосфат) + энергия.

Наряду с этими процессами в клетке происходят энергоакцепторные реакции синтеза АТР, которые компенсируют убыль АТР:

ADP + Pi + энергия => АТР + H2O.

2. Митохондриальная мембрана. ЭТЦ Митохондрий

2.1 Структурно-функциональная организация митохондрий

Митохондрия имеет две мембраны: внутреннюю и наружную, и, соответственно, две камеры (внутреннюю и наружную), отделенные друг от друга внутренней мембраной. Инвагинации внутренней мембраны в полость внутренней камеры образуют кристы. Пространство между кристами и наружной мембраной непрерывно и формирует единственную камеру межмембранного пространства. Соответственно, матрикс, окруженный складками внутренней мембраны, образует внутреннюю камеру (Рис. 2). Внешняя митохондриальная мембрана проницаема для малых молекул и ионов, которые перемещаются через трансмембранные каналы, сформированные семейством интегральных мембранных белков, названных поринами. Имеются также потенциал-зависимые анионные каналы, образованные чувствительными к мембранному потенциалу наружной мембраны поринами, которые позволяют обмениваться метаболитами между митохондрией и цитоплазмой.

Внутренняя мембрана непроницаема для Н+, и это чрезвычайно важное свойство мембраны является ключевым для митохондриальной трансдукции энергии. У химических веществ, таких как ионы и малые молекулы, которые пересекают внутреннюю мембрану, есть специфические транспортеры. Внутренняя мембрана содержит как интегральные белки – ключевые катализаторы окислительнго фосфорилирования – дыхательные комплексы электронтранспортной цепи переноса электронов, так и АТФ – синтазный комплекс.

2.2 Компоненты митохондриальной дыхательной цепи и дыхательные комплексы

Митохондриальная дыхательная цепь состоит из ряда переносчиков электронов, которые функционируют как окислительно-восстановительного пары (Рис. 1). В качестве таких пар выступают, главным образом, простетические группы интегральных белков. Выделяют четыре транспортера электронов, или дыхательных комплекса (I-IV), каждый из которых способен катализировать процесс переноса электронов по ЭТЦ. Помимо комплексов дыхательной цепи перенос электронов обеспечивают ряд низкомолекулярных переносчиков – челноков: убихинон, цитохром c. Как отмечалось, перенос электронов по ЭТЦ вдоль мембраны формирует перенос протонов через мембрану.

Комплекс I (НАДН-убихиноноксидоредуктаза; НАДН-дегидрогеназа) состоит из 42-43 различных полипептидов, включая FMN-содержащий флавопротеид и 6 железо-серных центров. Комплекс I по своей структуре и

Часть работы скрыты для сохранения уникальности. Зарегистрируйся и получи фрагменты + бесплатный расчет стоимости выполнения уникальной работ на почту.

меет L-форму с двумя «руками»: длинной «рукой», состоящей из гидрофобного мембранного белка, находящегося в липидном слое внутренней митохондриальной мембраны, и короткой «рукой», имеющей гидрофильную часть, выступающую в матрикс и содержащую FMN и активный центр связывания НАДH. Эти две важные функциональные части комплекса I имеют независимое генетическое происхождение.

Рисунок 1. Организация электронтранспортной цепи митохондрий

Комплекс I – НАДН-убихиноноксидоредуктаза; НАДН-дегидрогеназа, Комплекс II – сукцинатдегидрогеназа; сукцинат-убихинон оксидоредуктаза, Комплекс III – комплекс цитохромов bc1; убихинон-цитохром c оксидоредуктаза, Комплекс IV – цитохром c оксидаза; цитохромоксидаза (цитохром c-O2 оксидоредуктаза).

Комплекс I, выделяют путем мембранной солюбилизации по методу, предложенному У. Хатефи (Hatefi Y., 1985). Для исследования функциональной активности комплекса I используют тест на чувствительность к ротенону – специфическому стехиометрическому ингибитору комплекса I в митохондриях.

Убихинон – растворимый в липидной фазе бензохинон с длинной боковой изопреноидной цепью, который способен перемещаться путем диффузии в каждом из двух слоев бислоя фосфолипидов внутренней мембраны и обеспечивать челночный перенос электронов между мембранными белками.

Комплекс II (сукцинатдегидрогеназа; сукцинат-убихинон оксидоредуктаза) – мембраносвязанный компонент цикла лимонной кислоты (цикла Кребса), который функционирует и как фрагмент митохондриальной дыхательной цепи. В составе комплекса II – интегрального белка имеются ковалентно связанный FAD и железо-серные центры, локализованные в мембранном внешнем домене, которые катализируют перенос электронов от сукцината к убихинону и гему цитохрома b, находящемуся в гидрофобном мембранном домене.

Комплекс III (комплекс цитохромов bc1; убихинон-цитохром c оксидоредуктаза) состоит из 9-10 полипептидов, 3 из которых участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Кроме того, с двумя отдельными доменами комплекса III связаны две молекулы убисемихинона.

Цитохром c является периферическим белком, расположенным на внутренней мембране со стороны межмембранного пространства, и легко растворяется в солевых средах. Цитохром c переносит электроны от комплекса I к центру CuA комплекса IV.

Комплекс IV (цитохром c оксидаза; цитохромоксидаза; цитохром c-O2 оксидоредуктаза) – финальный катализатор дыхательной цепи митохондрий. Функция комплекса IV заключается в восстановлении O2 до H2O за счет передачи четырех электронов от восстановленного цитохрома c в процессе, который использует 4 Н+ из матрикса. Стоит отметить, что дисфункция комплекса IV наблюдается при многих патологических состояниях, в процессе старения.

Стехиометрия комплексов дыхательной цепи – интересный предмет исследований. Ранние спектрофотометрические исследования переносчиков электронов в изолированных митохондриях и определение содержания дыхательных комплексов в митохондриальных фрагментах, препарированных акустическими или химическими воздействиями на митохондрии, показали, что они находятся в простых мольных соотношениях. Электронные переносчики и комплексы образуют функциональные ансамбли («сборки») с характерными белок-белковыми взаимодействиями, которые эффективны для быстрого переноса электронов. Кроме того, расположение митохондриальных комплексов характеризуются малыми межмолекулярными расстояниями, что препятствует их медленному дрейфу и существенным перемещениям в мембране, способным привести к потере своей специфической функции. Отдельная митохондрия печени содержит 10000 полных дыхательных сообществ (комплексов), их количество увеличено в митохондриях почки и в 2 раза больше в митохондриях сердца по сравнению с митохондриями печени.

Комплексы I, III и IV взаимодействуют между собой с образованием суперкомплексов, характеризующихся определенным стехиометрическим составом, начиная от дрожжей и заканчивая более высокими уровнями организации у растений и млекопитающих. Недавно сообщалось о наличии суперкомплексов I1III2 и I1III2IV1 в митохондрии сердца быка.

Окисление и электрохимические потенциалы в митохондриальной дыхательной цепи. Электроны, последовательно восстанавливая компоненты электронтранспортной цепи, поступают от доноров электронов – НАДН или сукцината к акцептору – O2. Cогласно уравнению Нернста, электроны движутся по ЭТЦ в направлении компонентов с более положительными окислительными потенциалами (стандартными окислительно-восстановительными потенциалами, определяемыми отношением концентраций окисленных и восстановленных форм). Различия в окислительно-восстановительном потенциале электронных переносчиков определяют экзэргонические реакции перекачки Н+ в межмембранное пространство.

Комплексы I, III и IV функционируют как протонные (Н+) насосы, действуя последовательно относительно электронного потока и параллельно относительно потока Н+. Протонные насосы питаются свободной энергией сопряженных окислительно-восстановительных реакций, протекающих в митохондрии, при этом катализируемое окисление и выброс Н+ являются и векторными (строго направленными) и сопряженными реакциями. Движение Н+ осуществляется в направлении от матрикса к межмембранному пространству, благодаря чему матрикс заряжается отрицательно (N-сторона), а межмембранное пространство – положительно (P-сторона). Например, комплекс I катализирует два одновременных и обязательных процесса: экзергоническую передачу одного протона и одного электрона от НАДН и перенос второго Н+ из матрикса к убихинону, сопряженных с эндергоническим переносом 4 Н+ из матрикса в межмембранное пространство.

Химическая свободная энергия падения окислительно-восстановительного потенциала электронов, проходящих через дыхательные комплексы, используется для создания Н+ электрохимического градиента (потенциала µH), выражаемого в единицах электрического потенциала как протон – движущая сила – p, рассчитываемая по уравнению:

p (мВ) = m (2.3 RT/F) pH,

где: m трансмембранный электрический потенциал внутренней митохондриальной мембраны, pH – градиент pH на внутренней мембране; R, T, и F – газовая постоянная, абсолютная температура и константа Фарадея, соответственно. При температуре 37 °C p = m – 60pH. Основной вклад в создание p в большинстве случаев вносит m, который количественно составляет примерно 150-180 мВ, p равна 200-220 мВ. p – движущая сила процесса фосфорилирования АДP и торможения потока электронов в контролируемом метаболическом состоянии (в отсутствие АДP). Протонный потенциал µH состоит из двух компонентов: 1) электрического ( m) и 2) химического или осмотического (pH). Биофизическая основа дыхательного контроля заключается в том, что p в состоянии остановить экзергоническое окисление субстратов вследствие установления равновесия между свободной энергией электронного потока между окислительно-восстановительными парами ЭТЦ и потоком Н+ между камерами митохондрии. Кроме того, мембранный потенциал обеспечивает движущую силу для переноса катионов, таких как K + и Ca2 +, активно поглощаемых митохондрией.

Роль электрохимического потенциала и F1-АТP-азного молекулярного ротора в фосфорилировании АДP. В целом процесс окислительного фосфорилирования критически зависит от целостности и непроницаемости внутренней митохондриальной мембраны. Первая часть процесса заключается в преобразовании химического потенциала НАДН и энергии окисления янтарной кислоты (сукцината) в Н+ электрохимический градиент, вторая часть процесса заключается в катализируемом АТP-синтазой эндергоническом синтезе АТP за счет использования энергии протонного градиента. Этот процесс термодинамически возможен, поскольку освобождаемая энергия при переносе электронов по ЭТЦ и движущая протонная сила сохраняют достаточно свободной энергии, приблизительно равной 34 кДж на моль электронной пары, чтобы привести к ресинтезу одного моля АТP, требующему 32 кДж.

Митохондриальная АТP-синтаза (комплекс V) является АТP-азой F-типа, имеющей два различных компонента: F1 – периферический мембранный белок, и F0 – интегральный белок, являющийся неотъемлемой частью внутренней митохондриальной мембраны. Каталитический домен F1 – шаровидное сообщество 5 белков – б, в, г, д, и е со стехиометрией 3:3:1:1:1. г-, д-, и е-субъединицы формируют основу белкового ансамбля. Движение субъединиц АТФ-синтазы чрезвычайно важно для выполнения ее функции, частота – 50-100 тактов в секунду. Вращение, которое использует энергию Н+ потока, осуществляется в F0 субъединице. Скорость митохондриального дыхания зависит от доступности АДP для осуществления функции комплекса F1-АТP. Градиенты АДP и АТP через внутреннюю мембрану уравновешиваются активностью транслоказы адениннуклеотидов, функция которой состоит в обеспечении поступления АДP в матрикс и АТP в цитозоль для осуществления энергозависимых процессов.

Экспериментально установлено, что для синтеза одной молекулы АТP требуется перемещение 3-4 Н+. Эффективность фосфорилирования в изолированной митохондрии определена как отношение ADP/O с экспериментальными значениями 2.6-2.7 для NAD-зависимых субстратов и 1.6-1.7 для окисления сукцината. Эти значения близки к отношениям ADP/O – 2.5 и 1.5, соответственно, которые были получены теоретически, полагая, что количество перекачиваемых Н+ при переносе пары электронов равняется 10 для НАДН и 6 для сукцината.

Митохондриальная секвестрация Ca2 +. Добавление ионов Ca2+ к изолированным митохондриям даже в присутствии АДP приводит к их захвату (секвестрации) в энергозависимом процессе. Митохондрия поглощает Ca2+ в обмен на Н+ в процессе, приводимом в действие АТP или мембранным потенциалом, которые управляют Ca2+/H+ – насосом со стехиометрией 1:1. Митохондрии накапливают большое количество Ca2+ с одновременным поглощением Pi и осаждением Ca2+ в матриксе в виде нерастворимой соли, подобной гидроксилапатиту, в связи с чем концентрация Ca2 + в матриксе изменяется умеренно. Другой путь поступления Ca2+ в митохондрию функционально связан с открытием Ca2+-опосредованных пор высокой проницаемости. Внезапное увеличение проницаемости внутренней митохондриальной мембраны под влиянием ряда факторов вызывает истечение и втекание больших молекул и ионов, которые нарушают мембранный потенциал. Внутримитохондриальный Ca2+ признан аллостерическим активатором некоторых матриксных дегидрогеназ, таких как NADН+-изоцитратдегидрогеназа, пируватдегидрогеназа, б-кетоглутаратдегидрогеназа кофактором митохондриальной NO-синтазы (mtNOS).

3. Молекулярные преобразователи энергии

Энергопреобразующие мембраны способны к трансформации химической энергии окисляемых субстратов, АТP, либо энергии светового излучения в электрическую энергию, а именно в трансмембранную разность электрических потенциалов m или в энергию разности концентраций веществ в растворах, разделенных мембраной (осмотическую энергию). Среди энергопреобразующих мембран можно выделить такие структуры как внутренняя мембрана митохондрий, внутренняя (цитоплазматическая) мембрана бактериальных клеток, мембраны тилакоидов хлоропластов и цианобактерий, вакуолярная мембрана (тоноласт) растений и грибов. Ряд мембран не несут энергетических функций. Энергетические превращения в живой клетке могут быть разделены на две группы, локализованные в мембранах и использующие энергию сопрягающих ионов, и локализованные в цитоплазме клетки и использующие энергию АТP и других высокоэнергетических веществ. АТP образуется из АДP и неорганического фосфата системами фотосинтетического, дыхательного и субстратного фосфорилирования.

В большинстве случаев преобразование энергии в биологических мембранах можно описать схемой:

энергетические ресурсы => ?µI => полезная работа,

где ?µI есть трансмембранная разность электрохимических потенциалов иона I. Энергетические ресурсы, потребляемые мембранной системой, сначала используются для транспорта иона I через мембрану против сил электрического поля и в направлении большей концентрации I (энергизация мембраны). Затем энергия, накопленная в электрической и осмотической форме, используется в качестве движущей силы, чтобы совершать ту или иную полезную работу. Таким образом, процессы утилизации внешней энергии и совершения за ее счет работы оказываются сопряжены через образование и использование ?µI. Поэтому ион I может быть назван сопрягающим ионом.

Существует классификация биологических мембран, основанная на том, какой ион используется мембраной как сопрягающий.

1) Энергопреобразующие мембраны, использующие H+ как сопрягающий ион:

· внутренняя мембрана митохондрий;

· мембрана тилакоидов хлоропластов;

· внутренняя мембрана многих бактерий;

· мембрана бактериальных хроматофоров;

· внешняя мембрана клеток растений и грибов;

· мембрана вакуолей (тонопласт) растений и грибов.

2) Энергопреобразующие мембраны, использующие Na+ как сопрягающий ион:

· внешняя мембрана животной клетки;

· внутренняя (цитоплазматическая) мембрана некоторых морских аэробных бактерий и морских анаэробных бактерий.

3) Энергопреобразующие мембраны, роль которых ограничивается созданием ионного градиента:

· мембраны лизосом;

· внешняя мембрана некоторых животных клеток (например, слизистой желудка);

· саркоплазматический ретикулум и другие мембранные структуры, накапливающие Ca2+.

4) Мембраны, не способные к превращению энергии:

· внешняя мембрана митохондрий;

· внешняя мембрана оболочки хлоропласта;

· внешняя мембрана бактерий;

· мембрана пероксисом.

5) Мембраны, энергетические функции которых не доказаны, но и не исключены:

· эндоплазматический ретикулум;

· кариолемма.

4. Роль митохондриальных нарушений в развитии патологии

Среди наиболее распространенных болезней цивилизации, принимающих масштаб эпидемий, можно выделить: диабет, нейро-дегенеративные расстройства, остеохондроз, метаболический синдром. В основе проявлений метаболического синдрома (и ряда других болезней цивилизации) лежит первичная инсулинорезистентность и сопутствующая гиперинсулинемия. Дисфункция митохондрий, гиперпродукция оксида азота и реактивных форм кислорода играют важную роль в развитии диабетического и токсического поражения печени. Мягкое разобщение митохондрий, использование внутримитохондриальных антиоксидантов и биоэнергетических субстратов для коррекции дисфункции митохондрий представляет перспективный терапевтический подход в коррекции многих патологических состояний.

Действующие в современном развитом обществе многочисленные факторы – чрезвычайное ускорение темпа жизни, глобализация всех процессов, техногенные катастрофы, антропогенная нагрузка на окружающую среду и стрессогенная нагрузка среды и общества на человека, постоянный контакт с токсическими химическими соединениями, в том числе лекарственными средствами, электромагнитное и радиоактивное излучения, изменение характера питания и образа жизни в течение одного поколения, нарушения естественных биоритмов, и многое другое – привели к появлению целого ряда новых заболеваний и изменению характера течения известных заболеваний. В последние 30-40 лет выделяют группу так называемых болезней цивилизации (или болезней научно-технического прогресса), к которой относят широко распространенные хронические патологии сердечно-сосудистой, пищеварительной, иммунной, эндокринной систем, нейродегенеративные расстройства. Среди наиболее распространенных болезней цивилизации, принимающих масштаб эпидемий, можно выделить:

– диабет – клинический симптомокомплекс, обусловленный первичной или вторичной инсулиновой недостаточностью, сложное полифункциональное заболевание, характеризующееся многообразными метаболическими нарушениями, гипергликемией, глюкозурией, развитием ранней микро- и макроангионатии. По различным источникам в мире насчитывается от 120 до 180 млн. больных диабетом, что составляет 2-3% от всего населения планеты;

– дисбактериоз – нарушение состава микрофлоры кишечника, что создает фон для развития многих хронических заболеваний;

– аллергии;

– атеросклероз – на сегодняшний день сердечно-сосудистые заболевания являются главной медико-социальной проблемой, причиной преждевременных летальных исходов (около 55% эпизодов), инвалидности (примерно в 43% случаев) и временной нетрудоспособности (около 9%) среди населения экономически развитых стран;

Следует отметить, что наиболее распространенные хронические неинфекционные заболевания, такие, как рак, сахарный диабет, сердечно-сосудистые и нейродегенеративные заболевания, – это возрастные, многофакторные, полигенные заболевания, часто имеющие значительный неферментативный, неметаболический, химический компонент.

Заключение

Дыхание – основной процесс превращения энергии в эукариотических клетках, который осуществляется в митохондриях.

Нарушения структуры и функции митохондрий представляют ключевой этап развития многих патологических состояний. Супероксианион-радикалы, генерируемые миохондриальной респираторной цепью, представляют основной источник окислительных повреждений в клетке, которые могут явиться в свою очередь важнейшей причиной нейродегенеративных расстройств, диабетических осложнений, старения. Образование свободных радикалов митохондриями зависит от величины митохондриальной протон-движущей силы. Мягкое разобщение, использование внутримитохондриальных антиоксидантов представляет перспективный терапевтический подход коррекции многих патологических состояний.

1) Важнейшая биологическая функция преобразования энергии локализована во внутренней митохондриальной мембране. Перенос электронов через комплексы электрон транспортной цепи приводит к синтезу АТФ в реакции окислительного фосфорилирования.

2) Согласно современным представлениям комплексы ЭТЦ организованы в виде суперкомплексов, что позволяет осуществлять перенос электронов без диффузии промежуточных продуктов в окружающую среду.

3) Нарушения структурной организации и функциональной активности митохондрий связано с развитием разнообразных состояний.

Библиографический список

1. Скулачев В.П. Законы биоэнергетики // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. №1. С. 9-14.

2. Романовский Ю.М., Тихонов А.Н. Молекулярные преобразователи энергии живой клетки. Протонная АТФ-синтаза – вращающийся молекулярный мотор // Успехи Физических Наук. 2010. Т. 180. С. 931-956.

3. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. – М.: Наука. 1989. 564 с.

4. Mitchell P. Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by chemiosmotic type of mechanism. // Nature. 1961. V. 191. Р. 144-148

5. Green D.E. On the enzymic mechanism of oxidative phosphorylation / D.E. Green, Z.H. Vande // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 1982. – Vol. 79. – P 1064-1068.

6. Pullman M.E. A soluble protein fraction required for coupling phosphorylation to oxidation in submitochondrial fragments of beef heart mitochondria / M.E. Pullman, H. Penefsky, E. Racker // Arch. Biochem. Biophys. – 1958. – Vol. 76. P. 227-230.

7. Boyer P.D. ATP synthase-past and future / P.D. Boyer // Biochim. Biophys. Acta. – 1998. – Vol. 1365. – P. 3-9.

8. Mitchell P. Stoichiometry of proton translocation through the respiratory chain and adenosine triphosphatase systems of rat liver mitochondria / P. Mitchell, J. Moyle // Nature. – 1965. – Vol. 208. P. 147-151.

9. Mitchell P. Estimation of membrane potential and pH difference across the cristae membrane of rat liver mitochondria / P. Mitchell, J. Moyle // Eur. J. Biochem. – 1969. – Vol. 7. – P. 471-484.

5.0
Olive
Выполняю переводы с английского языка на русский, контрольные работы по английскому и русскому языкам. Гарантирую точность и грамотность перевода. Также делаю контрольные и домашние задания по математике, физике и техническим дисциплинам.