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


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:

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


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

+ 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 имеет 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 - ?, ?, ?, ?, и ? со стехиометрией 3:3:1:1:1. ?-, ?-, и ?-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, ?-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 I 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 I. Поэтому ион I может быть назван сопрягающим ионом.

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

)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.

) 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.

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

) 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.

. 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.

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

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

. 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.

. 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.

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

. 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.

. 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.


Теги: Биоэнергетика: преобразование энергии в биологических системах и роль нарушений энергетики клетки в патологических процессах  Контрольная работа  Биология
Просмотров: 6872
Найти в Wikkipedia статьи с фразой: Биоэнергетика: преобразование энергии в биологических системах и роль нарушений энергетики клетки в патологических процессах
Назад