Участие супрамолекулярных структур митохондрии в окислительном фосфорилировании

Функционирование органов и систем зависят от метаболических процессов внутри эукариотической клетки. Окислительное фосфорилирование - это энергетический метаболический путь, при котором клетки используют ферменты для окисления питательных веществ, тем самым высвобождая химическую энергию для производства аденозинтрифосфата (АТФ). У эукариотических клеток это происходит внутри специализированной органеллы - митохондрии.

---

Наши контрольные работы под заказ в Екатеринбурге выполняются профессионалами.

---

Практически все аэробные организмы осуществляют и используют процесс окислительного фосфорилирования для синтеза энергии. Этот путь распространен у многих живых организмов именно потому, что он высвобождает больше энергии, чем альтернативные процессы ферментации в анаэробных условиях, например, анаэробный гликолиз. В клетках млекопитающих, АТФ, продуцируемый окислительным фосфорилированием митохондриальной дыхательной цепи (OXPHOS), покрывает, в условиях присутствия кислорода более 80% потребности клетки в энергии. Остальное обеспечивается в анаэробных условиях, за счет процессов цитозольной деградация питательных веществ, в основном с помощью уже указанного процесса гликолиза. Энергия, находящаяся в химической структуре молекулы глюкозы, высвобождается клеткой в цикле лимонной кислоты с образованием углекислого газа и важнейших коферментов и доноров энергичных электронов НАДН (никотинамидадениндинуклеотид) и ФАДН (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Именно эти коферменты участвуют в цикле окислительного фосфорилирования в присутствие O2 и для производства АТФ, всякий раз, когда клетке требуется энергия. Во время окислительного фосфорилирования, электроны передаются от доноров электронов к ряду акцепторов электронов в серии окислительно- восстановительных реакций. У эукариотических клеток эти окислительно- восстановительные реакции катализируются рядом белковых комплексов на внутренней мембране митохондрии, тогда как у прокариота эти белки просто расположены на внешней мембране клетки. Эти связанные между собой белковые комплексы называются цепью переноса электронов. У эукариота в этом принимает участие пять основных белковых комплексов, которые будут описаны в следующих главах. Энергия, передаваемая по цепи переноса электронов, используется для переноса протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану. Этот процесс так и называется – процесс переноса электронов. Перенос электронов обеспечивает генерирацию энергетического потенциала мембраны, в виде градиента кисло-щелочного равновесия и электрического потенциала. Этот запас энергии расходуется, когда протоны возвращаются через мембрану обратно по градиенту потенциальной энергии по-средствам большого фермента - АТФ-синтазы, а описанный процесс называется хемиосмосом. АТФ-синтаза, расходуя энергию, инициирует превращение аденозиндифосфата (АДФ) в аденозинтрифосфат в реакции фосфорилирования. АТФ-синтаза можно представить, как вращающийся механический двигатель, где реакцией управляет поток протонов, заставляющий часть фермента вращаться. [10,11] Хотя окислительное фосфорилирование является жизненно важной частью метаболизма, в процессе продукции энергии, образуются активные формы кислорода или так называемые свободные радикалы (супероксид и перекись водород), эти свободные и активные радикалы должны быть перехвачены и связаны специальным ферментом супероксиддисмутазой, иначе они способны повреждать клетку. Ферменты, белковые комплексы, а также сами структурные единицы митохондрии, осуществляющие этот метаболический путь, являются мишенью для многих лекарств и ядов, которые могут подавлять их активность. [14] Все полученные знания о структуре, функциональном механизме и биогенезе системы окислительного фосфорилирования и функционирования митохондрий, обеспечивают основу для понимания патологического воздействия генетических и приобретенных дисфункций митохондриального окислительного фосфорилирования, развития хронических и острых патологических состояний органов и систем организма, участия в процессах старения и т.д., что подчеркивает актуальность выбранной темы. Целью работы является обзор современных представлений о состояния системы окислительного фосфорилирования в митохондриях млекопитающих. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи: 1) изучить и проанализировать научную литературу и научные статьи, и публикации по данной теме, за временной промежуток с 1990 по 2022 года; 2) дать теоретическую характеристику строения митохондрий и каждого этапа окислительного фосфорилирования; 3) изучить особенности участие супрамолекулярных структур митохондрии в окислительном фосфорилировании. Методы, используемые в данной работе для сбора теоретической и практической информации: 1) обзор научной литературы за временной промежуток с 1990 по 2022 года; 2) обзор и научно – теоретический анализ зарубежных статей, научной литературы и публикаций в сети интернет. Методологическая основа дипломной работы включает: 1. научно-теоретический анализ литературы и периодических изданий; 2. организационный (сравнительный, комплексный) метод; 3. статистический - обработка статистического материала. Объект исследования: супрамолекулярные структуры митохондрии в процессе окислительного фосфорилирования. Предмет исследования: участие супрамолекулярных структур митохондрии в окислительном фосфорилировании. Практическая ценность работы: в главах работы представлено описание дыхательной цепи в целом, указаны особенности строения и функционирования митохондрий. Исходя из поставленных целей и задач в курсовой работе в работе описана роль супрамолекулярных структур митохондрии в окислительном фосфорилировании. [1,2]

Митохондрии (или родственные им структуры) обнаружены у всех эукариот (кроме Oxymonad Monocercomonoides). Хотя их обычно изображают в виде бобовидных структур, они образуют высокодинамическую сеть в большинстве клеток, где они постоянно подвергаются делению и слиянию. Митохондрии различаются по количеству и расположению в зависимости от типа клеток. Одна митохондрия часто встречается у одноклеточных организмов, в то время как клетки печени человека имеют около 1000–2000 митохондрий на клетку, что составляет 1/5 объема клетки. Митохондриальное содержимое в других сходных клетках может существенно различаться по размеру и мембранному потенциалу, с различиями, возникающими из-за источников, включая неравномерное разделение при клеточном делении, что приводит к внешним различиям в уровнях АТФ и последующих клеточных процессах. Митохондрии играют решающую роль в выработке метаболической энергии в эукариотических клетках. Как уже говорилось в главе 2, они ответственны за большую часть полезной энергии, получаемой при расщеплении углеводов и жирных кислот, которая в процессе окислительного фосфорилирования превращается в АТФ. Большинство митохондриальных белков транслируются на свободных цитозольных рибосомах и импортируются в органеллы с помощью специфических сигналов-мишеней. Кроме того, митохондрии уникальны среди уже рассмотренных цитоплазматических органелл тем, что содержат собственную ДНК, которая кодирует тРНК, рРНК и некоторые митохондриальные белки. Таким образом, в сборке митохондрий участвуют белки, кодируемые их собственными геномами и транслируемые внутри органеллы, а также белки, кодируемые ядерным геномом и импортируемые из цитозоля. Целью данного исследования являлся обзор современных представлений о состояния системы окислительного фосфорилирования в митохондриях млекопитающих. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи: 1) изучить специализированную научную литературу и научные публикации по данной теме, глубина поиска 22 года; 2) дать теоретическую характеристику строения митохондрий икаждого этапа окислительного фосфорилирования; 3) изучить особенности участие супрамолекулярных структур митохондрии в окислительном фосфорилировании. Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что цель проделанной работы была достигнута.

1) Abrahams JP, Leslie AG, Lutter R, Walker JE (1994) Structure at 2.8 Å resolution of F1-ATPase frоm bovine heart mitochondria. Nature 370:621–628 2) Acín-Pérez R, Bayona-Bafaluy MP, Fernández-Silva P, Moreno-Loshuertos R, Pérez-Martos A, Bruno C, Moraes CT, Enríquez JA (2004) Respiratory complex III is required to maintain complex I in mammalian mitochondria. Mol Cell 13(6):805–815 3) Ackerman SH, Tzagoloff A (2005) Function, structure, and biogenesis of mitochondrial ATP synthase. Prog Nucleic Acid Res Mol Biol 80:95–133 4) Anandatheerthavarada H, Biswas G, Mullick J, Sepuris N, Pain D, Avadhani G (1999) Dual targeting of cytochrome P4502B1 to endoplasmic reticulum and mitochondria involves a novel signal activation by cyclic AMP-dependent phosphorylation at ser128. EMBO J 18:5494–5504 5) Angell JE, Lindner DJ, Shapiro PS, Hofmann ER, Kalvakolanu DV (2000) Identifi cation of GRIM-19, a novel cell death-regulatory gene induced by the interferon and retinoic acid combination, using a genetic approach. J Biol Chem 275:33416–33426 6) Antonicka H, Ogilvie I, Taivassalo T, Anitori RP, Haller RG, Vissing J, Kennaway NG, Shoubridge EA (2003) Identifi cation and characterization of a common set of complex I assembly intermediates in mitochondria frоm patients with complex I defi ciency. J Biol Chem 278:43081–43088 7) Arselin G, Vaillier J, Salin B, Schaeffer J, Giraud MF, Dautant A, Brèthes D, Velours J (2004) The modulation in subunits e and g amounts of yeast ATP synthase modifi es mitochondrial cristae morphology. J Biol Chem 279: 40392–40399 8) Artzatbanov VY, Konstantinov AA, Skulachev VP (1978) Involvement of intramitochondrial protons in redox reactions of cytochrome a . FEBS Lett 87:180–185 9) Attardi G, Schatz G (1988) Biogenesis of mitochondria. Annu Rev Cell Biol 4:289–333 10) Babcock GT, Callahan PM (1983) Redox-linked hydrogen bond strength changes in cytochrome a : implications for a cytochrome oxidase proton pump. Biochemistry 22(10):2314–2319 11) Bamberg E, Butt HJ, Eisenraunch A, Fendler K (1993) Charge transport of ion pumps on lipid bilayer membranes. Q Rev Biophys 26:1–25 12) Banci L, Bertini I, Cefaro C, Ciofi -Baffoni S, Gallo A, Martinelli M, Sideris DP, Karakili N, Tokatlidis K (2009) MIA40 is an oxidoreductase that catalyzes oxidative protein folding in mitochondria. Nat Struct Mol Biol 16:198–206 13) Becker T, Vogtle FN, Stojanovski D, Meisinger C (2008) Sorting and assembly of mitochondrial outer membrane proteins. Biochim Biophys Acta 1777:557–563 14) Beckman JS, Koppenol WH (1996) Nitric oxide, superoxide, and peroxynitrite: the good, the bad, and ugly. Am J Physiol 271(5 Pt 1):C1424–C1437 15) Beinert H (1986) Iron-sulphur clusters: agents of electron transfer and storage, and direct participants in enzymic reactions. Tenth Keilin memorial lecture. Biochem Soc Trans 14:527–533 16) Belevich I, Verkhovsky MI (2008) Molecular mechanism of proton translocation by cytochrome c oxidase. Antioxid Redox Signal 10(1):1–29 17) Belevich I, Bloch DA, Belevich N, Wikstrom M, Verkhovsky MI (2007) Exploring the proton pump mechanism of cytochrome c oxidase in real time. Proc Natl Acad Sci USA 104(8):2685–90 28 18) Berry EA, Huang LS, Zhang Z, Kim SH (1999) Structure of the avian mitochondrial cytochrome bc1 complex. J Bioenerg Biomembr 31(3):177–190 19) Berry EA, Guergova-Kuras M, Huang LS, Crofts AR (2000) Structure and function of cytochrome bc complexes. Annu Rev Biochem 69:1005–1075 20) Bironaite DA, Cenas NK, Kulys JJ (1991) The rotenone-insensitive reduction of quinones and nitrocompounds by mitochondrial NADH:ubiquinone reductase. Biochim Biophys Acta 1060(2):203–209 21) Bittinger MA, McWhinnie E, Meltzer J, Iourgenko V, Latario B, Liu X, Chen CH, Song C, Garza D, Labow M (2004) Activation of cAMP response element-mediated gene expression by regulated nuclear transport of TORC proteins. Curr Biol 14:2156–2161 22) Blackburn NJ, Barr ME, Woodruff WH, van der Oost J, de Vries S (1994) Metal-metal bonding in biology: EXAFS evidence for a 2.5 A copper-copper bond in the CuA center of cytochrome oxidase. Biochemistry 33(34): 10401–10407 23) Blesa JR, Hernandez JM, Hernandez-Yago J (2004) NRF-2 transcription factor is essential in promoting human Tomm70 gene expression. Mitochondrion 3:251–259 24) Bornhövd C, Vogel F, Neupert W, Reichert AS (2006) Mitochondrial membrane potential is dependent on the oligomeric state of F 1 F o -ATP synthase supracomplexes. J Biol Chem 281:13990–13998 25) Bousquet I, Dujardin G, Slonimski PP (1991) ABC1, a novel yeast nuclear gene has a dual function in mitochondria: it suppresses a cytochrome b mRNA translation defect and is essential for the electron transfer in the bc 1 complex. EMBO J 10:2023–2031 Bowler MW, Montgomery MG, Leslie AG, Walker JE (2007) Ground state structure of F1-ATPase frоm bovine heart mitochondria at 1.9 A resolution. J Biol Chem 282:14238–14242 26) Boyer PD (1993) The binding change mechanism for ATP synthase–some probabilities and possibilities. Biochim Biophys Acta 1140:215–250 Boyer PD (1997) The ATP synthase-a splendid molecular machine. Annu Rev Biochem 66:717–749 27) Brändén M, Sigurdson H, Namslauer A, Gennis RB, Adelroth P, Brzezinski P (2001) On the role of the K-proton transfer pathway in cytochrome c oxidase. Proc Natl Acad Sci USA 98(9):5013–5018 28) Brandt U (1997) Proton-translocation by membrane-bound NADH: ubiquinoneoxidoreductase (complex I) through redox-gated ligand conduction. Biochim Biophys Acta 1318:79–91 29) Brandt U, Kerscher S, Dröse S, Zwicker K, Zickermann V (2003) Proton pumping by NADH:ubiquinone oxidoreductase. A redox driven conformational change mechanism? FEBS Lett 545(1):9–17 30) Brix J, Rudiger S, Bukau B, Schneider-Mergener J, Pfanner N (1999) Distribution of binding sequences for the mitochondrial import receptors Tom20, Tom22, and Tom70 in a presequence-carrying preprotein and a non-cleavable preprotein. J Biol Chem 274:16522–16530 31) Brown GC (1999) Nitric oxide and mitochondrial respiration. Biochim Biophys Acta 1411(2–3):351–369 32) Brzezinski P, Gennis RB (2008) Cytochrome c oxidase: exciting progress and remaining mysteries. J Bioenerg Biomembr 40:521–531 Brzezinski P, Larsson G (2003) Redox-driven proton pumping by heme-copper oxidases. Biochim Biophys Acta 1605:1–13 33) Burwell LS, Nadtochiy SM, Tompkins AJ, Young S, Brookes PS (2006) Direct evidence for S-nitrosation of mitochondrial complex I. Biochem J 394(3):627–634 34) Cadenas E, Davies KJ (2000) Mitochondrial free radical generation, oxidative stress, and aging. Free Radic Biol Med 29:222–230 35) Cammarota M, Paratcha G, Bevilaqua LR, Levi de Stein M, Lopez M, Pellegrino de Iraldi A, Izquierdo I, Medina JH (1999) Cyclic AMP-responsive element binding protein in brain mitochondria. J Neurochem 72:2272–2277