Изменение синтеза аденозинтрифосфата митохондриями при изменении pH - Биология и естествознание дипломная работа

Главная

Биология и естествознание
Изменение синтеза аденозинтрифосфата митохондриями при изменении pH

Сущность ультраструктурной организации митохондрий. Роль митохондрий в поддержании окислительно-восстановительного баланса клетки. Специфика энергетических функций митохондрий. Изменение морфофункциональных характеристик митохондрий при ацидозе.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Изменение синтеза аденозинтрифосфата митохондриями при изменении pH
Глава 1. Современные представления о структурно-функциональной организации митохондрий
1.1 Ультраструктурная организация митохондрий
1.2 Митохондрии как мультифункциональные органеллы
1.3 Энергетические функции митохондрий
1.4 Роль митохондрий в поддержании окислительно-восстановительного баланса клетки
Глава 2. Влияние рН среды на синтез АТФ митохондриями
2.1 Молекулярные механизмы окислительного фосфорилирования
2.2 Особенности синтеза АТФ при изменении рН среды
2.3 Изменение морфофункциональных характеристик митохондрий при ацидозе
2.4 Изменение синтеза АТФ при повышении рН среды
АФК - активные формы кислорода мтДНК - митохондриальная ДНК
НАДН - никотинамиддинуклеотид, восстановленная форма
ANT - adenine nucleotide translocator, (транслокатор аденин-нуклеотида) РКА - протеинкиназа А
PTP - permeability transition pore (пора, изменяющая проницаемость мембраны) TIM - translocase of inner membrane (транслоказа внутренней мембраны)
TOM - translocase of outer membrane (транслоказа внешней мебмраны)
VDAC - voltage-dependent anion channel (потенциал-зависимый анионный канал)
Митохондрии имеют длительную историю изучения (Ernster, Schatz, 1981; Скулачев, 1989; Ченцов, 2004) однако интерес к этим клеточным органеллам со стороны исследователей не снижается. В результате большого числа работ, выполненных с использованием как классических ультраструктурного и биохимического анализа, так и современных методов физико-химической биологии, наши представления о структурной организации и функциях митохондрий существенно расширились. В настоящее время митохондрии рассматриваются как чрезвычайно динамичные структуры, способные изменять свою ультраструктурную организацию и метаболизм в зависимости от молекулярного состава внутренней среды организма (Mannella, 2006; Zick et al., 2009). Параллельно с разработкой идей о митохондриях, как «энергетических фабриках» клетки происходило понимание значимости митохондрий в целом ряде других жизненно важных функций, определяющих поддержание гомеостаза не только на клеточном, но и на организменном уровне (Mayer, Oberbauer, 2003; Судаков и др., 2006; Бунеева, Медведев, 2011; Титов, 2012).
Сегодня актуальность исследований митохондрий существенно возрастает в связи с развитием представлений о митохондриальных болезнях и зарождением митохондриальной медицины (Seppet et al., 2009; Мазунин и др., 2010; Бунеева, Медведев, 2011). Понятие о митохондриальных расстройствах появилось после выявления мутаций в геноме митохондрий. В основе митохондриальной дисфункции могут находиться сотни первичных биохимических дефектов. Несмотря на это, при митохондриальных заболеваниях проводимая коррекция недостаточности митохондрий направлена на ту часть дефектов, которые имеют наибольшее патогенетическое значение, включая непосредственно процессы синтеза АТФ. При этом, несомненно, разработка новых эффективных мер коррекции энергетической дисфункции может проводиться только с учетом фундаментальных данных о механизмах функционирования как отдельных ферментных митохондриальных систем, так и хондриома клетки в целом в нормальных и патологических условиях.
Особую фундаментальную и практическую значимость в данном аспекте имеет анализ особенностей синтеза АТФ при отклонениях значений рН от физиологических показателей. Как известно, внутриклеточные процессы высокочувствительны к изменениям содержания водородных ионов, которые могут выступать в качестве катализатора ряда процессов, быть реагентом или продуктом реакции. В митохондриях ионы водорода непосредственно вовлечены в завершающие этапы синтеза АТФ, поэтому изменение их концентрации не может не сказаться на эффективности данного процесса (Скулачев, 1989; Ченцов, 2004).
Следует отметить, что изменение рН вне и внутри клетки имеет место при целом ряде часто встречающихся патологических состояний. Метаболический ацидоз сопровождает многие экстремальные физиологические и патологические состояния, в частности, связанные со значительной активацией процессов потребления энергии, а также развивающиеся при нарушении функций митохондрий, недостаточном снабжении тканей кислородом, избыточном окислении липидов при сахарном диабете или голодании. К примеру, даже короткий период остановки сердца, вызванный фибрилляцией, характеризуется глубоким ацидозом миокарда. Особое значение приобретает метаболический ацидоз в условиях интенсивной мышечной работы (Рямова, Розенфельд, 2014).
При этом в большинстве случаев снижения рН основной причиной этого изменения гомеостатических показателей является переход к метаболизму с преобладанием гликолиза (Pekun et al., 2014), то есть митохондрии напрямую вовлечены в эти процессы.
В связи с этим целью настоящей работы являлся анализ имеющихся в литературе данных об особенностях синтеза АТФ митохондриями при изменении pH.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
- изложить современные представления о структурной организации митохондрий и их основных функциях;
- описать молекулярные механизмы окислительного фосфорилирования;
- охарактеризовать особенности функциональной активности митохондрий при снижении и повышении рН;
- оценить современное состояние проблемы синтеза АТФ митохондриями при изменении рН.
Глава 1. Современные представления о структурно-функциональной организации митохондрий
1.1 Ультраструктурная организация митохондрий
Название «митохондрии» было введено в 1898 г Бенда (Benda), который описал появление этих структур во время сперматогенеза. В 1900 г Михаэлис обнаружил, что окислительно-восстановительный краситель Янус зеленый В может быть использован для специфической прижизненной окраски митохондрий. Растительные митохондрии были впервые описаны в 1904 г Мевесом (Meves), несколькими годами позднее Регауд (Regaud) заключил, что митохондрии содержат белки и липиды. Наличие у митохондрий мембраны было описано еще в ранних наблюдениях, сделанных с помощью светового микроскопа. Первые электроннограммы митохондрий, которые были опубликованы Клауде и Фулламом (Claude, Fullam) в 1945 г подтвердили это наблюдение. Однако детальное изучение ультраструктурной организации митохондрий началось только в начале 1950-х гг. В это же время началось накопление данных о биохимической структуре митохондрий.
Первые электронные микрофотографии митохондрий, полученные с высоким разрешением, была опубликованы в 1953 г Паладе (Palade, 1953) и Сьестрандом (Sjostrand, 1953). Эти исследователи использовали фиксацию осмием, что позволяло получать четкие изображения клеточных мембран. Именно на этих препаратах (рис. 1) впервые было обнаружено, что митохондрии имеют две мембраны, причем внутренняя мембрана образует складки, которые получили название крист. Как наружная, так и внутренняя мембраны имеют толщину около 7 нм.
Наружная мембрана митохондрий содержит большое количество разнообразных белков, в том числе ферменты липидного метаболизма, компоненты системы транслокации белков, многочисленные гидрофильные каналы (включая митохондриальный порин VDAC (voltage-dependent anion channel), а также белки-регуляторы апоптоза. Благодаря гидрофильным каналам наружная мембрана проницаема для заряженных и незаряженных молекул массой до 5000 Да, в том числе небольших белков (Colombini, 1983).
К настоящему времени установлено, что специфичным для фосфолипидов внутренней мембраны митохондрий является присутствие в ней кардиолипина, который содержит две ортофосфорные группы и четыре цепи жирных кислот; это делает мембрану непроницаемой для протонов H+ (Титов, 2012).
Рисунок 1. Одна из первых электронномикроскопических фотографий митохондрий в клетках почки (Sjostrand, 1953; из Ernster, Schatz, 1981). Ч120000
Наружная мембрана отделена от внутренней межмембранным пространством шириной около 10-20 нм, хотя в некоторых местах они значительно сближены. Такое сближение наблюдается в местах расположения митохондриальной машины импорта белков, включающей белки TIM (translocase of inner membrane) и TOM (translocase of outer membrane). Также в местах сближения мембран может формироваться пора, изменяющая проницаемость мембраны (PTP, permeability transition pore). В состав РTP входит несколько белков: VDAC, ANT, циклофилин D и периферический бензодиазепиновый рецептор. РТР образуется при различных нарушениях функционирования митохондрий. Проницаемость РТР регулируется белками семейства Bcl-2 (Bolter et al., 2001; Lemeshko, 2002).
Таким образом, уже в ранних работах было обнаружено, что внутреннее пространство митохондрий разделено на две камеры: пространство внутри внутренней мембраны, которое в настоящее время описывается как матрикс, и пространство между внутренней и внешней мембраной, которое известно, как межмембранное пространство (Ernster, Schatz, 1981).
Развитие методов ультраструктурного анализа позволило существенно расширить представления о строении внешней и внутренней мембран митохондрий, а также о функциональной значимости формы и пространственного расположения крист, которые долгое время считались простыми складками внутренней мембраны (Mannella, 2006).
На подобных представлениях основывалась первая гипотетическая модель организации крист, предложенная Паладе и получившая название модель перегородок (baffle model). В этой модели предполагалось, что между кристами имеются широкие промежутки (рис. 2). Другая модель, так называемая модель септ, была предложена Сьестрандом, который полагал, что складки внутренней мембраны простираются через весь матрикс и разделяют его на несколько изолированных компартментов. Развитие возможностей традиционной электронной микроскопии позволили идентифицировать тонкие трубчатые структуры, соединяющие кристы с внутренней мембраной, которые получили название педикулы крист (pediculi cristae), на основе чего была сформирована модель соединений крист (crista junctions) (Zick et al., 2009).
Рисунок 2. Основные модели топологии внутренней мембраны митохондрий (из Zick et al., 2009). А - модель перегородок, В - модель септ, С - модель соединений. Объяснения в тексте
В дальнейшем методы электронной томографии позволили получить убедительные доказательства, что кристы - это не просто случайные «сгибы» внутренней мембраны, а скорее внутренние отделения, сформированные ее инвагинациями. При этом инвагинации происходят в узких шее-подобных сегментах, которые первоначально были названы педикулы крист, или ножки крист, а позже получили название соединения крист (рис. 3) (Perkins et al., 1997). Также в настоящее время внтуреннуюю мембрану митохондрий принято дифференцировать на две функционально различные части - внутреннюю ограничивающую мембрану (inner boundary membrane, IBM) и мембрану крист (cristae membrane, CM). Соответственно, соединения крист представляют собой барьер, ограничивающий диффузию между интермембранным пространством и пространством внутри кристы, а также они разделяют ограничивающую внутреннюю мембрану и мембрану крист (Zick et al., 2009).
Рисунок 3. Пространственная модель организации соединения кристы в митохондриях Saccharomyces cerevisiae, полученная с помощью электронномикроскопической томографии (из Zick et al., 2009)
Митохондрии характеризуются высокой вариабельностью морфологии крист. В клетках разных типов наблюдали трубчатые, уплощенные и даже треугольные кристы. Практически сразу после начала их электронномикроскопических исследований было время предложено выделять два морфологических статуса митохондрий, в химически фиксированных клетках, - конденсированные и ортодоксальные (condensed and orthodox) митохондрии, которые различаются по относительному объему матрикса и пространства между кристами (Hackenbrock, 1966) (рис. 4).
Рисунок 4. Особенности организации крист в «конденсированных» и «ортодоксальных» митохондриях (по Mannella, 2006)
Кристы в ортодоксальном состоянии (когда объем матрикса увеличен) представляют трубочки или короткие уплощенные ламеллы, с одним или двумя контактами в периферическом регионе внутренней мембраны. Конденсированные митохондрии (с компактным матриксом) имеют увеличенные внутренние компартменты со множественными трубчатыми соединениями с периферической областью и друг с другом. Переход от одного состояния к другому осуществляется за счет процессов слияния и разделения (fusion and fission) внутренней мембраны, причем в регуляции этих процессов участвует большое число белков. Полагают, что топология внутренней мембраны митохондрий непосредственно влияет на определенные функции этого органоида и может представлять собой новую форму регуляции метаболизма. В частности, форма и размер соединений крист может участвовать в регуляции скорости продукции АТФ посредством ограничения поступления АДФ (Mannella, 2006).
Молекулярные механизмы перестроек внутренней структуры митохондрий окончательно не расшифрованы, однако уже выявлено несколько белков, которые, по-видимому, играют ведущую роль в этих процессах. В частности, показано, что белок tBID, вовлеченный в механизмы апоптоза, вызывает уменьшение степени искривления мембран, содержащих кардиолипин, в том числе мембран крист митохондрий. В этих процессах также участвует транслокатор аденин-нуклеотида (adenine nucleotide translocator, ANT), белок, входящий в состав внутренней мембраны и связанный с кардиолипином. На митохондриях клеток дрожжей показано, что tBID ингибирует активность ANT (Mannella, 2006).
Митохондриальный F1F0-ATФ-синтазный комплекс также вовлечен в регуляцию топологии внутренней мембраны. Показано, что мутации субъединицы е АТФ-синтазы (также известной как Atp21p и Tim11p) ингибирует формирование димеров АТФ-синтазы и в результате образуются концентрические кристы, напоминающие луковицы (Paumard et al., 2002).
Не исключено, что в процессах регуляции морфологии крист принимает участие митофилин, белок внутренней мембраны, имеющий молекулярную массу 90 кДа. Функции этого белка на настоящий момент остаются не выясненными, однако при снижении его уровня путем использования соответствующей siРНК, внутренняя мембрана формирует концентрические структуры (John et al., 2005).
Внутренняя ограничивающая мембрана и мембрана крист различаются по своему молекулярному составу. В ограничивающей мембране преимущественно локализованы белки, вовлеченные в процессы митохондриального слияния (Mgm1p) или транслокации белков (Mia40p, TIM23 complex). Мембрана крист обогащена белками, принимающими участие в процессах окислительного фосфорилирования (ANC, Complex III, Complex IV, F1FO-ATP-synthase) и в окислительно-восстановительный метаболизм железа и серы (Fe/S cluster). При этом белки очень динамично перераспределяются между доменами, в зависимости от функционального статуса клетки (Zick et al., 2009).
Ограниченный внутренней мембраной матрикс митохондрий представляет собой относительно гомогенную структуру с умеренной электронной плотностью. Содержимое матрикса - это субстраты и ферменты цикла Кребса и некоторых других этапов энергетического метаболизма (цитратсинтетаза, изоцитратдегидрогеназа, фумараза, малатдегидрогеназа, аконитаза и др.), (от 2 до 10) копий митохондриальной дезоксирибонуклеиновой кислоты (мтДНК), митохондриальные рибосомы, рибонуклеиновая кислота (РНК) и ферменты, участвующие в экспрессии митохондриального генома (Ченцов, 2004).
Характерной особенностью митохондрий является наличие собственного генома двухцепочечной ковалентно замкнутой митохондриальной ДНК (мтДНК), размером 16569 п.н., которая присутствует в каждой митохондрии в виде нескольких идентичных копий. Геном митохондрий животных клеток содержит 37 генов: два гена рРНК, 13 структурных генов, кодирующих первичную последовательность белков, и 22 гена тРНК. Большинство регуляторных участков находятся в некодирующем, так называемом контрольном, районе протяженностью 1122 п.н. (Boore, 1999; Мазунин и др., 2010).
Несмотря на некоторое сходство в строении мтДНК человека и ДНК прокариот, заключающееся, в частности, в отсутствии интронов и перекрывании генов, структурная организация генома митохондрий значительно сложнее. Установлено, что молекулы мтДНК (пять-семь молекул) соматических клеток организованы в нуклеоиды, в состав которых входят гистоноподобные белки и белки, участвующие в регуляции транскрипции и репликации мтДНК, основные из которых - mtSSB, POLG, TFAM и Twinkle (Мазунин и др., 2010). Генетический код мтДНК имеет ряд характерных особенностей. Все белки, синтезируемые митохондриальной трансляционной системой, локализованы на внутренней мембране митохондрий (Литвинова и др., 2014).
Собственный трансляционный аппарат митохондрий включает рибосомы, которые имеют типичное строение и состоят из двух субъединиц (малой и большой). Каждая субъединица содержит, по меньшей мере, одну молекулы рРНК и несколько молекул рибосомных белков (Agrawal, Sharma, 2012). Рибосомы митохондрий, которые также известны под названием миторибосомы, локализуются в митохондриальном матриксе. Как показали работы, проведенные на гепатоцитах крыс, каждая митохондрия содержит до 100 рибосом. При этом по своим структурным особенностям миторибосомы существенно отличаются от цитоплазматических рибосом, а также рибосом бактерий. В частности, рибосомы митохондрий характеризуются очень низким содержанием РНК и, как следствие, более низким коэффициентом седиментации (~55S). Коэффициенты седиментации большой и малой субчастиц митохондриальных рибосом, содержащих 16S и 12S рРНК, равны
~39S и ~28S, соответственно. В миторибосомах отсутствует небольшая 5S рРНК, характерная для обычных рибосом (Патрушев, 2000).
Межмембранное пространство имеет ширину 10-20 нм. По составу малых молекул его содержимое близко содержимому гиалоплазмы. Здесь находятся несколько ферментов, использующих выходящей из матрикса АТФ для фосфорилирования других нуклеотидов (Ченцов, 2004).
В целом первоначальное представление о митохондриях как о небольших изолированных друг от друга внутриклеточных органеллах сейчас меняется на картину сложной разветвленной митохондриальной сети, плотность которой зависит от типа ткани и связана с потребностью ткани в окислительном фосфорилировании и производстве энергии. Митохондрии путем слияния и разделения могут образовывать динамичные сети, в регуляции и организации которых участвуют белки цитоскелета (Бунеева, Медведев, 2011).
1.2 Митохондрии как мультифункциональные органеллы
Первоначально, исследователи митохондрий концентрировали свое внимание на их фундаментальных метаболических и биоэнергетических функциях, таких как окислительное фосфорилирование, цикл Кребса, биосинтез гема, бета-окисление жирных кислот и метаболизм аминокислот (Ernster, Schatz, 1981). В настоящее время представления о функциональной значимости митохондрий существенно расширены.
1.3 Энергетические функции митохондрий
Первичной функцией митохондрий является выработка энергии в форме АТФ. В клетках человека АТФ производится в ходе двух различных процессов: в ходе разложения глюкозы и других сахаров в отсутствие кислорода в цитоплазме (гликолиз) и в ходе метаболических превращений жиров, сахаров и белков в митохондриях в присутствии кислорода. Второй вариант имеет гораздо более высокую эффективность, почти в 20 раз превышающую энергетическую эффективность гликолиза. 95% АТФ в клетках аэробных организмов производится именно с участием кислорода. В митохондриях реализуется три основных энзиматических пути генерации АТФ: цикл трикарбоновых кислот, бета-окисление жирных кислот и окислительное фосфорилирование (Nsiah-Sefaa, McKenzie, 2016).
Процессы образования энергии в митохондриях можно разделить на четыре основных стадии, две первые протекают в матриксе, а две последние - на кристах митохондрий (рис. 5):
– превращение поступивших из цитоплазмы в митохондрии пирувата и жирных кислот в форме ацил-КоА в активированную, неполярную форму вначале ацил-КоА и далее ацетил-КоА;
– окисление ацетил-КоА в цикле Кребса с образованием НАДН;
– перенос электронов с НАДН на O2 по белковым комплексам дыхательной цепи;
– синтез АТФ как результат функционирования мембранной АТФ- синтетазы (Титов, 2012).
Последний этап энергетических процессов, реализуемых в митохондриях, будет подробнее рассмотрен в разделе 2.1.
Рисунок 5. Функциональная энергетическая архитектоника митохондрий (из Зеркаленкова, 2015)
1.4 Роль митохондрий в поддержании окислительно-восстановительного баланса клетки
Установлено, что в формировании активных форм азота принимает участие комплекс IV.
Хроническое воздействие АФК на клетку приводит к окислительному повреждению белков, липидов и нуклеиновых кислот, а острое воздействие - к инактивации Fe?S-центров ферментативных комплексов окислительного фосфорилирования и фермента цикла трикарбоновых кислот- аконитазы, что приводит к снижению продукции АТФ. Высокоактивный ONOO- нитрирует остатки тирозина окружающих белков, в результате чего повреждаются комплекс I и митохондриальная супероксиддисмутаза. Кроме того, в комплексе I сульфгидрильные группы могут подвергаться нитрозилированию, что приводит к подавлению активности комплекса. Воздействие АФК на мтДНК приводит к накоплению множественных мутаций. Все эти изменения, в итоге, нарушают функционирование клетки, вызывают программируемую клеточную смерть - апоптоз (Мазунин и др., 2010).
Однако в умеренных концентрациях АФК являются важными регуляторными компонентами различных сторон клеточного метаболизма. К настоящему времени убедительно доказано, что АФК, образуемые митохондриями, задействованы в передаче внутриклеточных сигналов от рецепторов эндотелина, TGFв1, PDGF, АТII, FGF2 и др. АФК в живой клетке кроме того являются эффективными регуляторами активности ряда транскрипционных факторов, в том числе NFкВ, AP1, а также проапоптотического белка p66Shc. Усиление продукции АФК, воздействующих на отмеченные выше внутриклеточные сигнальные механизмы, может активизировать воспалительный процесс, а также способствовать развитию фиброзных и гипертрофических изменений в тканях. Повышение уровня АФК также может способствовать снижению кальциевой чувствительности миофиламентов кардиомиоцитов и их сократительной активности (Giordano, 2005). В последнее время также появляется все больше данных о значимости АФК в процессах защиты организма от инфекционных агентов, а также в регуляции процессов автофагии (Dan Dunn et al., 2015).
Сегодня не подлежит сомнению центральная роль митохондрий в реализации программированной гибели клетки. В межмембранном пространстве митохондрий находится ряд функционально важных белков, которые после их освобождения и выхода в цитоплазму, принимают непосредственное участие в процессах апоптоза. В числе таких белков можно назвать ингибиторы белков, блокирующих апоптоз (Smac/DIABLO, Omni/HtrA2), неактивные предшественники каспаз (прокаспаза-2, -3, -9), а также непосредственные индукторы программы апоптоза, например, активирующий каспазы цитохром С, эндонуклеазу G и AIF, которые инициируют клеточную гибель по механизму, независящему от каспаз (Mayer, Oberbauer, 2003).
Основной механизм освобождения проапоптотических белков из митохондрий реализуется благодаря формированию митохондриальных апоптотических пор, а также пор повышенной проницаемости (РТP - permeability transition pores) (Guimaraes, Linden, 2004). Выход проапоптотических факторов из митохондрий жестко контролируется внутриклеточными сигнальными системами. При этом ключевую роль в регуляции формирования митохондриальных пор играют белки из семейства Bcl2, среди которых есть как проапоптотические (Bax, Bak, Bok, Boo, BclG, BclB, Bclrambo, Bad, Bim, Bmf, Bid, Noxa, Puma, BNip3), так и антиапоптотические белки (Bcl2, BclxL, Bclw, Mcl1, BclB). В регуляции проницаемости митохондриальных мембран также задействованы свободные радикалы и цитоплазматические ионы Ca2+ (Mayer, Oberbauer, 2003).
Для выбора клеткой пути реализации программированной гибели большое значение имеет количество открытых митохондриальных пор. Если формирование пор повышенной проницаемости происходит только в отдельных митохондриях, то в клетке активируются процессы аутофагии. В случае, когда открытие таких пор захватывает большее число митохондрий, в клетке происходит инициация апоптоза, что, вероятно, связано с повышением содержания цитохрома С и AIF в цитоплазме. Если же поры повышенной проницаемости открываются практически во всех митохондриях, процессы окисления и фосфорилирования разобщаются, начинается интенсивный гидролиз АТФ митохондриальной АТФазой и активизация механизмов клеточной гибели по типу некроза (Guimaraes, Linden, 2004).
Определенную роль в «выборе» между реализацией апоптоза и некрозоподобной клеточной гибели играет уровень продукции АТФ в митохондриях (Судаков и др., 2006). При низком уровне АТФ в клетке процесс гибели клетки протекает по механизму некроза, в случае достаточного энергообеспечения клетки реализуются механизмы апоптоза (Daugas et al., 2000). Еще одним существенным фактором выбора механизма клеточной гибели является концентрация ионов кальция в цитоплазме. Небольшое увеличение уровня ионов кальция в цитоплазме приводит к развитию апоптоза, а при существенном возрастании их концентрации индуцируется некроз. Предполагается, что основой данной закономерности является возможная зависимость числа формируемых митохондриальных пор от концентрации ионов Ca2+ в цитоплазме, а также активация Ca2+-зависимых протеаз, фосфолипаз и нуклеаз, приводящих к разрушению внутриклеточных структур и реализации некроза. Дополнительным механизмом может быть активация Ca2+- зависимой АТФазы митохондрий, способствующей истощению запасов АТФ в клетке (Skulachev, 2002).
Помимо энергетической функции, митохондрии способны также накапливать ионы кальция, что впервые было показано еще в 1960-х годах (Vasington et al., 1962). В настоящее время известно, что ионы кальция являются важнейшими вторичными посредниками в клетках. При этом концентрация Са2+ в цитоплазме поддерживается на относительно низком уровне (10-7 М), при этом он запасается в основном в эндоплазматическом ретикулуме и митохондриях. Кальциевый сигналинг имеет вид «волн» повышения и понижения концентрации цитоплазматического Са2+, причем митохондрии принимают важнейшее участие как в формировании этих «волн», так и их модулировании (Berridge et al., 2000; Rizzuto et al., 2000).
Митохондрии непосредственно задействованы в процессах регуляции концентрации свободного клеточного Ca2+, так как они выполняют роль внутриклеточного кальциевого депо с низким сродством к этим ионам. По своей емкости митохондриальное депо кальция существенно превышает емкости эндо- и/или саркоплазматического ретикулумов.
В норме, в клетке, находящейся в состоянии покоя, митохондрии окружены цитоплазмой с низкой концентрацией ионов Ca2+. При этом концентрация свободного Ca2+ существенно ниже сродства митохондриальной Ca2+-транспортирующей системы митохондрий, поэтому митохондрии находятся в стационарном состоянии умеренного покоя. При значительном возрастании концентрации ионов Ca2+ в цитоплазме происходит их накопление в матриксе митохондрий. В этих условиях количество и концентрация ионов Ca2+ в матриксе митохондрий оказываются достаточными для индукции изменений состояния митохондрий, включая увеличение синтеза АТФ, усиление генерации кислородных радикалов, активацию неспецифических пор в мембране митохондрий, набухание и разрыв внешней мембраны митохондрий. Таким образом, митохондриальный транспорт Ca2+определяет судьбу клеток от нормального функционирования до программируемой клеточной гибели (Холмухамедов, 2008).
За проницаемость внешней митохондриальной мембраны для ионов кальция, как и для других ионов и небольших молекул отвечает белок VDAC. Последние данные показали, что VDAC более проницаем для ионов кальция в закрытом состоянии, хотя размер поры при этом существенно меньше (1,8 нм в закрытом состоянии против 2,5 нм в открытом состоянии) (Tan et al., 2007).
Перенос кальция через внутреннюю митохондриальную мембрану в матрикс происходит с помощью ряда переносчиков - кальциевого унипортера, митохондриального рианодинового рецептора и, по крайней мере, одного кальциевого канала (митохондриального кальциевого канала типа 2). Кроме того, на внутренней митохондриальной мембране были обнаружены молекулы, по своим функциональным особенностям сходные с рианодиновыми рецепторами скелетных мышц. По всей видимости, они ответственны за быстрое поглощение кальция митохондриями при сравнительно низких концентрациях этих ионов (Altschafl et al., 2007). Третьим способом поступления Са2+ в митохондрию является митохондриальный кальциевый канал типа 2 (Michels et al., 2009).
Выход кальция из митохондрий через внутреннюю мембрану осуществляется также несколькими способами, в том числе с помощью Na+/Ca2+-обменника и натрий-независимого выброса кальция. Na+/Ca2+- обменник считается основным путем выхода кальция из митохондрий в цитоплазму в клетках нервной ткани и сердечной мышцы. Натрий-независимый выброс кальция из митохондрий является основным механизмом выхода кальция в клетках печени и почки (Hoppe, 2010).
Накопление митохондриями кальция Са2+ играет одну из центральных ролей в физиологии и патофизиологии клетки. В частности, поступление Са2+ из цитоплазмы в митохондрии регулирует скорость митохондриального синтеза АТФ, а ионы кальция, находящиеся в матриксе митохондрии, активируют дегидрогеназы цикла Кребса (Jouaville et al., 1999). (Jouaville et al., 1999). Другие звенья митохондриального метаболизма, такие как работа транспортной цепи электронов, АТФ-синтетазы и ANT, также регулируются ионами Са2+ (Territo et al., 2000). Кроме того, поглощение кальция митохондриями модулирует временное и пространственное внутриклеточное распределение этих ионов, что чрезвычайно важно для работы всех сигнальных путей, связанных с этим катионом.
Таким образом, в настоящее время совокупность митохондрий клетки (хондриом) рассматривают как динамичную систему, быстро реагирующую на изменение ключевых параметров внутриклеточной среды и внутренней среды многоклеточного организма выраженными структурно-функциональными перестройками. Эти перестройки привод
Изменение синтеза аденозинтрифосфата митохондриями при изменении pH дипломная работа. Биология и естествознание.
Сочинение Мой Летний День
Курсовая Работа Крестики Нолики C
Административная Контрольная Работа 9 Класс
Вышее Образование В Условиях Пандемии Реферат
Курсовая Работа На Тему Програма Обробки Зображень
Ризалит в архитектуре
Реферат На Тему Государственно-Правовое Устройство Новгорода И Пскова
Реферат: Перспективы развития туризма в Армении
Реферат: Сущность гендерных стереотипов
Курсовая работа по теме Специальные налоговые режимы: их роль в развитии малого предпринимательства
Ответственность В Исполнительном Производстве Курсовая
Программа Советчик Курсовая
Дипломная работа по теме Реалии законодательной власти Великобритании в лингвострановедческом аспекте
Реферат: Лесные ресурсы. Скачать бесплатно и без регистрации
Реферат: Финансовые ресурсы предприятия основные характеристики
Отчет по практике по теме Характеристика діяльності сільськогосподарського підприємства "Золота нива"
Курсовая работа по теме Проблема миграции населения: плюсы и минусы
Курсовая работа по теме Понятие государства, его сущность и назначение
Реферат: Программа Консультант Плюс в экономике и бухгалтерском учёте
Реферат На Тему Способы И Приемы Экономического Анализа
Генно-инженерная технология - Биология и естествознание курсовая работа
Взаимодействие животных как фактор эволюции - Биология и естествознание реферат
Условия и охрана труда в организации - Безопасность жизнедеятельности и охрана труда контрольная работа