Универсальный носитель энергии в клетке синтезирующийся в митохондриях: Тест на тему: «Строение клетки. Строение тканей»

Тест на тему: «Строение клетки. Строение тканей»

8 класс

КЛЕТКА, ТКАНИ.

Вариант № 1

Часть А:

1. Как называются постоянные части клетки, расположенные в цитоплазме, каждая из которых выполняет свои определенные функции?

1. органоиды

2. мембраны

3. митохондрии

4. рибосомы

1. В чем заключена наследственная информация организма?

а) мембрана

б) цитоплазма

в) ядро

г) гены

3) Клетка получает кислород, питательные вещества и удаляет продукты обмена через:

а) ядро

б) ядрышко

в) мембрану

г) цитоплазму

4) Какова роль цитоплазмы клетке? 
а) защищает содержимое клетки от механических повреждений 
б) поглощает световую энергию 

в) осуществляет связь между частями клетки 
г) обеспечивает деление клетки

5) Какое значение рибосом в клетке? 
а) образование энергии 
б) участвуют в процессе фотосинтеза 
в) участвуют в синтезе белка 
г) выводят конечные продукты 

6) Универсальный носитель энергии в клетке, синтезирующийся в митохондриях:

а) белок

б) ДНК

в) АТФ

г) углевод

7) ЭПС участвует в:

а) образование белков и жиров

б) транспорт веществ

в) образование ДНК

г) образование АТФ

8) Какие органоиды клетки могут образовываться на концевых пузырьках комплекса Гольджи?

а) Лизосомы.

б) Митохондрии. 3

в) Пластиды.

г) Рибосомы.

9) Какая часть клетки изображена на рисунке

а) ядро

б) митохондрия

в) ЭПС

г) комплекс Гольджи

10) Сколько мембран есть у митохондрии?

а) одна

б) две

в) три

г) четыре

11) К какому виду ткани относится кровь?

а) нервная

б) эпителиальная

в) соединительная

г) мышечная

12) Как называется ткань, образующая покровы тела и выстилающая внутреннюю поверхность органов:

а) эпителиальная

б) нервная

в) мышечная

г) соединительная

13) Сколько типов тканей выделяют у человека

а) 2

б) 4

в) 6

14) Нервные импульсы от тела нейрона передаются по:
     а) клеткам нейроглии
     б) дендритам
     в) аксону

Часть В:

Во все предложенные варианты вставьте пропущенные слова:

а) … – это основной структурный и функциональный элемент организма человека.

б) Большинство клеток состоит из … и …, покрытых снаружи…

в) Ненужные вещества и структуры клетки растворяются внутри …, которые образуются от …

г) Связь с внешней средой и соседними клетками осуществляется через…

д) Группа клеток одинакового строения, общего происхождения и выполняющих определенную функцию, называется…

е) … ткани образуют поверхность кожи и слизистые оболочки… органов.

ж) Нервная ткань состоит из основных клеток – …, способных вырабатывать и передавать нервные… и клеток…, выполняющих вспомогательную функцию.

Часть С:

1. Кратко опишите строение и функции ЭПС

2. Дайте характеристику мышечной ткани.

8 класс

КЛЕТКА, ТКАНИ

Вариант № 2

Часть А:

1) Основным структурным и функциональным элементом организма человека является:

а) Орган

б) Ткань

в) Клетка

2) Наследственная информация в клетке зашифрована в молекулах:

а) АТФ

б) ДНК

в) Белков

3) Гладкая эндоплазматическая сеть участвует в образовании:

а) Белков

б) Жиров

в) Углеводов и жиров

4) Основная функция митохондрий:

а) Синтез ДНК

б) Синтез АТФ

в) Синтез углеводов

5) Распад отработанных веществ и органоидов происходит в:

а) Ядре

б) ЭПС

в) Лизосомах

6) Связь между клетками осуществляется через:

а) Клеточную мембрану

б) Белок

в) Эндоплазматическую сеть

7)  Клеточная мембрана:

а) Обладает избирательной проницательностью для различных веществ

б) Непроницаема

в) Полностью проницаема для любых веществ

8) Система плоских мешочков и многочисленных пузырьков это:

а) ЭПС

б) комплекс Гольджи

в) митохондрия

г) рибосома

9) Какая часть клетки изображена на рисунке

а) ядро

б) митохондрия

в) ЭПС

г) комплекс Гольджи

10) Во внутриклеточном пищеварении клетки участвуют:

а) Митохондрии

б) Лизосомы

в) Мембрана

г) Рибосомы

11) Из какой ткани состоит головной и спинной мозг?

а) эпителиальной

б) нервной

в) соединительной

г) мышечной

12) Как называется ткань, основным свойством которой является способность к сокращению:

а) эпителиальной

б) нервной

в) мышечной

г) соединительной

13) Большой объем межклеточного вещества свойствен ткани:

а) мышечная

б) эпителиальная

в) соединительная

г) нервная

14) Соединительная ткань образует

А) слизистую оболочку органов дыхания

Б) кровь

В) стенки сердца

Часть В:

Во все предложенные варианты вставьте пропущенные слова:

а) … несет наследственную информацию и содержит в себе одно или несколько…

б)  В… эндоплазматической сети образуются белки, а в… синтезируются углеводы и жиры.

в) В митохондриях окисляются вещества и синтезируется… – универсальный источник энергии.

г) … является полужидкой внутренней средой любой клетки.

д) Нейроны состоят из тела, коротких отростков – … и длинных – …, места контактов отростков друг с другом называются…

е) Промежутки между органами заполняет… соединительная ткань, костная и хрящевая ткани выполняют… функцию, а кровь осуществляет… веществ и защиту организма.

ж) Группа клеток одинакового строения, общего происхождения и выполняющих определенную функцию, называется…

Часть С:

1. Кратко опишите строение и функции митохондрий.

2. Дайте характеристику соединительной ткани.

вариант 1 1-а 2-г 3-в 4-в 5-в 6-в 7-б 8-а 9-г 10-б 11-в 12-а 13-б 14-б	вариант 2 1-в 2-б 3-в 4-б 5-в 6-а 7-а 8-б 9-в 10-б 11- б 12-в 13-б 14-б
а) клетка б) ядро, цитоплазма, мембрана в) лизосомы, к.Гольджи г) мембрана д) ткань е) эпителиальная ж) нейронов, импульсов, нейроглии	а) ядро, ядрышко б) шерохватая, гладкая в) АТФ г) цитоплазма д) аксоны, дендриты, синапс е) жировая, опорная, обмен ж) ткань
ЭПС Мышечная	Митохондрия Соединительная

Тест «Клеточное строение организма»

Клеточное строение организма

1. Основным структурным и функциональным элементом организма человека является:

а) Орган

б) Ткань

в) Клетка

1. Как называются постоянные части клетки, расположенные в цитоплазме, каждая из которых выполняет свои определенные функции?

А) органоиды

Б) мембраны

В ) митохондрии

2. Основная функция митохондрий:

а) Синтез ДНК

б) Синтез АТФ

в) Синтез углеводов

2. Какое значение рибосом в клетке? 
а) образование энергии 
б) участвуют в процессе фотосинтеза 
в) участвуют в синтезе белка 
г) выводят конечные продукты 

3.  Клеточная мембрана:

а) Обладает избирательной проницательностью для различных веществ

б) Непроницаема

в) Полностью проницаема для любых веществ

3. ЭПС участвует в:

а) образование белков и жиров

б) транспорт веществ

в) образование ДНК

г) образование АТФ

4. Во внутриклеточном пищеварении клетки участвуют:

а) Митохондрии

б) Лизосомы

в) Мембрана

г) Рибосомы

4. Какова роль цитоплазмы клетке? 
а) защищает содержимое клетки от механических повреждений 
б) поглощает световую энергию 

в) осуществляет связь между частями клетки 
г) обеспечивает деление клетки

5. Наследственная информация в клетке зашифрована в молекулах:

а) АТФ

б) ДНК

в) Белков

5. Универсальный носитель энергии в клетке, синтезирующийся в митохондриях:

а) белок

б) ДНК

в) АТФ

г) углевод

B. Во все предложенные варианты вставьте пропущенные слова:

1. … несет наследственную информацию и содержит в себе одно или несколько…

1.  Группа клеток одинакового строения, общего происхождения и выполняющих определенную функцию, называется…

2.  В… эндоплазматической сети образуются белки, а в… синтезируются углеводы и жиры.

2. б) Большинство клеток состоит из … и …, покрытых снаружи..

3. В митохондриях окисляются вещества и синтезируется… – универсальный источник энергии

3. Связь с внешней средой и соседними клетками осуществляется через…

4.… является полужидкой внутренней средой любой клетки.

4.  Ненужные вещества и структуры клетки растворяются внутри …, которые образуются от …

5.  Группа клеток одинакового строения, общего происхождения и выполняющих определенную функцию, называется…

5……носители наследственности; у человека в половых клетках содержится ……

Строение и функции клетки реферат по биологии

План: I. Цитология. II. Строение клетки: II..1 мембрана; II..2 ядро; II..3 цитоплазма: а) органоиды: 1.эндоплазматическая сеть; 2.рибосомы; 3.комплекс Гольджи; 4.лизосомы; 5.клеточный центр; 6.энергетические органоиды. б) клеточные включения: 1. углеводы; 2. жиры; 3. белки. III. Функции клеток: III..1 деление клетки; III..2 обмен веществ: а) пластический обмен; б) энергетический обмен. III..3 раздражимость; III..4 роль органических веществ в осуществлении функций клетки: а) белки; б) углеводы; в) жиры; г) нуклеиновые кислоты: 1. ДНК; 2. РНК; д) АТФ. IV. Новые открытия в области клетки. V. Хабаровские цитологи. VI. Заключение Цитология. Цитология (греч. «цитос» — клетка, «логос» — наука) – наука о клетках. Цитология изучает строение и химический состав клеток, функции клеток в организме животных и растений, размножение и развитие клеток, приспособление клеток к условиям окружающей среды. Современная цитология – наука комплексная. Она имеет самые тесные связи с другими биологическими науками, например, с ботаникой, зоологией, физиологией, учением об эволюции органического мира, а также с молекулярной биологией, химией, физикой, математикой. Цитология – одна из молодых биологических наук, её возраст около 100 лет. Возраст же термина «клетка» насчитывает около 300 лет. Исследуя клетку как важнейшую единицу живого, цитология занимает центральное положение в ряду биологических дисциплин. Изучение клеточного строения организмов было начато микроскопами XVII века, в XIX веке была создана единая для всего органического мира клеточная теория (Т. Шванн, 1839). В ХХ веке быстрому прогрессу цитологии способствовали новые методы: электронная микроскопия, изотопные индикаторы, культивирование клеток и др. Название «клетка» предложил англичанин Р. Гук ещё в 1665 г., но только в XIX веке началось её систематическое изучение. Несмотря на то, что клетки могут входить в состав различных организмов и органов (бактерий, икринок, эритроцитов, нервов и т.д.) и даже существовать как самостоятельные (простейшие) организмы, в их строении и функциях обнаружено много общего. Хотя отдельная клетка представляет собой наиболее простую форму жизни, строение её достаточно сложно… Строение клетки. Клетки находятся в межклеточном веществе, обеспечивающем их механическую прочность, питание и дыхание. Основные части любой клетки – цитоплазма и ядро. Клетка покрыта мембраной, состоящей из нескольких слоёв молекул, обеспечивающей избирательную проницаемость веществ. В цитоплазме расположены мельчайшие структуры – органоиды. К органоидам клетки относятся: эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, лизосомы, комплекс Гольджи, клеточный центр. Мембрана. Если рассматривать в микроскоп клетку какого-нибудь растения, например, корешка лука, то видно, что она окружена сравнительно толстой оболочкой. Оболочка совсем другой природы хорошо видна у гигантского аксона кальмара. Но не оболочка Название этого органоида отражает место расположения его в центральной части цитоплазмы (греч. «эндон» — внутри). ЭПС представляет собой очень разветвлённую систему канальцев, трубочек, пузырьков, цистерн разной величины и формы, отграниченных мембранами от цитоплазмы клетки. ЭПС бывает двух видов: гранулярная, состоящая из канальцев и цистерн, поверхность которых усеяна зёрнышками (гранулами) и агранулярная, т.е. гладкая (без гран). Граны в эндоплазматической сети ни что иное, как рибосомы. Интересно, что в клетках зародышей животных наблюдается в основном гранулярная ЭПС, а у взрослых форм – агранулярная. Зная, что рибосомы в цитоплазме служат местом синтеза белка, можно предположить, что гранулярная ЭПС преобладает в клетках, активно синтезирующих белок. Считают, что агранулярная сеть в большей степени предоставлена в тех клетках, где идёт активный синтез липидов (жиров и жироподобных веществ). Оба вида эндоплазматической сети не только участвуют в синтезе органических веществ, но и накапливают и транспортируют их к местам назначения, регулируют обмен веществ между клеткой и окружающей её средой. Рибосомы. Рибосомы – не мембранные клеточные органоиды, состоящие из рибонуклеиновой кислоты и белка. Их внутреннее строение во многом ещё остаётся загадкой. В электронном микроскопе они имеют вид округлых или грибовидных гранул. Каждая рибосомы разделена желобком на большую и маленькую части (субъединицы). Часто несколько рибосом объединяются нитью специальной рибонуклеиновой кислоты (РНК), называемой информационной (и-РНК). Рибосомы осуществляют уникальную функцию синтеза белковых молекул из аминокислот. Комплекс Гольджи. Продукты биосинтеза поступают в просветы полостей и канальцев ЭПС, где они концентрируются в специальный аппарат – комплекс Гольджи, расположенный вблизи ядра. Комплекс Гольджи участвует в транспорте продуктов биосинтеза к поверхности клетки и в выведении их из клетки, в формировании лизосом и т.д. Комплекс Гольджи был открыт итальянским цитологом Камилио Гольджи (1844 – 1926) и в 1898 году был назван «комплексом (аппаратом) Гольджи». Белки, выработанные в рибосомах, поступают в комплекс Гольджи, а когда они требуются другому органоиду, то часть комплекса Гольджи отделяется, и белок доставляется в требуемое место. Лизосомы. Лизосомы (от греч. «лизео» – растворяю и «сома» — тело) — это органоиды клетки овальной формы, окружённые однослойной мембраной. В них находится набор ферментов, которые разрушают белки, углеводы, липиды. В случае повреждения лизосомной мембраны ферменты начинают расщеплять и разрушать внутреннее содержимое клетки, и она погибает. Клеточный центр. Клеточный центр можно наблюдать в клетках, способных делиться. Он состоит из двух палочковидных телец – центриолей. Находясь около ядра и комплекса Гольджи, клеточный центр участвует в процессе деления клетки, в образовании веретена деления. Энергетические органоиды. Митохондрии (греч. «митос» — нить, «хондрион» — гранула) называют энергетическими станциями клетки. Такое название обуславливается тем, что именно в митохондриях происходит извлечение энергии, заключённой в питательных веществах. Форма митохондрий изменчива, но чаще всего они имеют вид нитей или гранул. Размеры и число их также непостоянны и зависят от функциональной активности клетки. На электронных микрофотографиях видно, что митохондрии состоят из двух мембран: наружной и внутренней. Внутренняя мембрана образует выросты, называемые кристами, которые сплошь устланы ферментами. Наличие крист увеличивает общую поверхность митохондрий, что важно для активной деятельности ферментов. В митохонлриях обнаружены свои специфические ДНК и рибосомы. В связи с этим они самостоятельно размножаются при делении клетки. Хлоропласты – по форме напоминают диск или шар с двойной оболочкой – наружной и внутренней. Внутри хлоропласта также имеются ДНК, рибосомы и особые мембранные структуры – граны, связанные между собой и внутренней мембраной хлоропласта. В мембранах гран и находится хлорофилл. Благодаря хлорофиллу в хлоропластах происходит превращение энергии солнечного света в химическую энергию АТФ (аденозинтрифосфат). Энергия АТФ используется в хлоропластах для синтеза углеводов из углекислого газа и воды. Клеточные включения. К клеточным включениям относятся углеводы, жиры и белки. Углеводы. Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода. К углеводам относятся глюкоза, гликоген (животный крахмал). Многие углеводы хорошо растворимы в воде и являются основными источниками энергии для осуществления всех жизненных процессов. При распаде одного грамма углеводов освобождается 17,2 кДж энергии. Жиры. Жиры образованы теми же химическими элементами, что и углеводы. Жиры нерастворимы в воде. Они входят в состав клеточных мембран. Жиры также служат запасным источником энергии в организме. При полном расщеплении одного грамма жира освобождается 39, 1 кДж энергии. Белки. Белки являются основными веществами клетки. Белки состоят из углерода, водорода, кислорода, азота, серы. Часто в состав белка входит фосфор. Белки служат главным строительным материалом. Они участвуют в формировании мембран клетки, ядра, цитоплазмы, органоидов. Многие белки выполняют роль ферментов (ускорителей течения химических реакций). В одной клетке насчитывается до 1000 разных белков. При распаде белков в организме освобождается примерно такое же количество энергии, как и при расщеплении углеводов. Все эти вещества накапливаются в цитоплазме клетки в виде капель и зёрен различной величины и формы. Они периодически синтезируются в клетке и используются в процессе обмена веществ. Функции клеток. Клетка обладает различными функциями: деление клетки, обмен веществ и раздражимость. Деление клетки. Деление – это вид размножения клеток. Во время деления клетки хорошо заметны хромосомы. Набор хромосом в клетках тела, характерный для данного вида растений и животных, называется кариотипом. В любом многоклеточном организме существует два вида клеток – соматические (клетки тела) и половые клетки или гаметы. В половых клетках число хромосом в два раза меньше, чем в соматических. В соматических клетках все хромосомы представлены парами – такой набор называется диплоидным и обозначается 2n. Парные хромосомы (одинаковые по величине, форме, строению) называются гомологичными. В половых клетках каждая из хромосом в одинарном числе. Такой набор называется гаплоидным и обозначается n. Наиболее распространённым способом деления соматических клеток является митоз. Во время митоза клетка проходит ряд последовательных стадий или фаз, в результате которых каждая дочерняя клетка получает такой же набор хромосом, какой был у материнской клетки. Во время подготовки клетки к делению – в период интерфазы (период между двумя актами деления) число хромосом удваивается. Вдоль каждой исходной хромосомы из имеющихся в клетке химических соединений синтезируется её точная копия. Удвоенная хромосома состоит из двух половинок – хроматид. Каждая из хроматид химических реакций, которая освобождается в результате расщепления поступающих веществ. Эта энергия преобразуется в другие виды энергии. Совокупность реакций, обеспечивающих клетки энергией, называют энергетическим обменом. Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны между собой. С одной стороны, все реакции пластического обмена нуждаются в затрате энергии. С другой стороны, для осуществления реакции энергетического обмена необходим постоянный синтез ферментов, так как «продолжительность жизни» молекул ферментов невелика. Через пластический и энергетический обмены осуществляется связь клетки с внешней средой. Эти процессы являются основным условием поддержания жизни клетки, источником её роста, развития и функционирования. Живая клетка представляет собой открытую систему, поскольку между клеткой и окружающей средой постоянно происходит обмен веществ и энергии. Раздражимость. Живые клетки способны реагировать на физические и химические изменения окружающей их среды. Это свойство клеток называется раздражимостью или возбудимостью. При этом из состояния покоя клетка переходит в рабочее состояние – возбуждение. При возбуждении в клетках меняется скорость биосинтеза и распада веществ, потребление кислорода, температура. В возбуждённом состоянии разные клетки выполняют свойственные им функции. Железистые клетки образуют и выделяют вещества, мышечные клетки сокращаются, в нервных клетках возникает слабый электрический сигнал – нервный импульс, который может распространяться по клеточным мембранам. Роль органических соединений в осуществлении функций клетки. Главная роль в осуществлении функций клетки принадлежит органическим соединениям. Среди них наибольшее значение имеют белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Белки. Белки представляют собой большие молекулы, состоящие из сотен и тысяч элементарных звеньев – аминокислот. Всего в живой клетке известно 20 видов аминокислот. Название аминокислоты получили из-за содержания в своём составе аминной группы Nh3. Белки в обмене веществ занимают особое место. Ф. Энгельс так оценил эту роль белков: «Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причём с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». И на самом деле, везде, где есть жизнь, находят белки. Белки входят в состав цитоплазмы, гемоглобина, плазмы крови, многих гормонов, иммунных тел, поддерживают постоянство водно- солевой среды организма. Без белков нет роста. Ферменты, обязательно участвующие во всех этапах обмена веществ, имеют белковую природу. Углеводы. Углеводы поступают в организм в виде крахмала. Расщепившись в пищеварительном тракте до глюкозы, углеводы всасываются в кровь и усваиваются клетками. Углеводы – главный источник энергии, особенно при усиленной мышечной работе. Больше половины энергии организм взрослых людей получает за счёт углеводов. Конечные продукты обмена углеводов – углекислый газ и вода. В крови количество глюкозы поддерживается на относительно постоянном уровне (около 0,11%). Уменьшение содержания глюкозы вызывает понижение температуры тела, расстройство деятельности нервной системы, утомление. Повышение количества глюкозы вызывает её отложение в печени в виде запасного животного крахмала – гликогена. Значение глюкозы для организма не исчерпывается её ролью как источника энергии. Глюкоза входит в состав цитоплазмы и, следовательно, необходима при образовании новых клеток, особенно в период роста. Углеводы имеют важное значение и в обмене веществ центральной нервной системы. При резком снижении количества сахара в крови отмечаются расстройства деятельности нервной системы. Наступают судороги, бред, потеря сознания, изменение деятельности сердца. Жиры. Поступивший с пищей жир в пищеварительном тракте расщепляется на глицерин и жирные кислоты, которые всасываются в основном в лимфу и лишь частично в кровь. Жир используется организмом как богатый источник энергии. При распаде одного грамма жира в организме освобождается энергии в два раза больше, чем при распаде такого же количества белков и углеводов. Жиры входят и в состав клеток (цитоплазма, ядро, клеточные мембраны), где их количество устойчиво и постоянно. Скопления жира могут выполнять и другие функции. Например, подкожный жир препятствует усиленной отдаче тепла, околопочечный жир предохраняет почку от ушибов и т.д. Недостаток жиров в пище нарушает деятельность центральной нервной системы и органов размножения, снижает выносливость к различным заболеваниям. С жирами в организм поступают растворимые в них витамины (витамины A, D, E и др.), имеющие для человека жизненно важное значение. Нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты образуются в клеточном ядре. Отсюда и произошло название (лат. «нуклеус» — ядро). Входя в состав хромосом, нуклеиновые кислоты участвуют в хранении и передаче наследственных свойств клетки. Нуклеиновые кислоты обеспечивают образование белков. ДНК. Молекула ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – была открыта в клеточных ядрах ещё в 1868 году швейцарским врачом И.Ф. Мишером. Позднее узнали, что ДНК находится в хромосомах ядра. Основная функция ДНК – информационная: порядок расположения её четырёх нуклеотидов (нуклеотид — мономер; мономер – вещество, состоящее из повторяющихся элементарных звеньев) несёт важную информацию – определяет порядок расположения аминокислот в линейных молекулах белков, т.е. их первичную структуру. Набор белков (ферментов, гормонов) определяет свойства клетки и организма. Молекулы ДНК хранят сведения об этих свойствах и передают их в поколения потомков, т.е. ДНК является носителем наследственной информации. РНК. РНК – рибонуклеиновая кислота – очень похожа на ДНК и тоже построена из мономерных нуклеотидов четырёх типов. Главное отличие РНК от ДНК – одинарная, а не двойная цепочка молекулы. Различают несколько видов РНК, все они принимают участие в реализации наследственной информации, хранящейся в молекулах ДНК, через синтез белка. АТФ. Очень важную роль в биоэнергетике клетки играет адениловый нуклеотид, к которому присоединены два остатка фосфорной кислоты. Такое вещество называют аденозинтрифосфорной кислотой (АТФ). АТФ – универсальный биологический аккумулятор энергии: световая энергия Солнца и энергия, заключённая в потребляемой пище, запасается в молекулах АТФ. с этической точки зрения». Специалисты ВОЗ исходят из того, что применение метода клонирования к людям нарушило бы такие фундаментальные принципы медицинской науки и права, как уважение человеческого достоинства и безопасность человеческого генетического потенциала. Вместе с тем ВОЗ не против исследований в области клонирования клеток, поскольку это могло бы принести пользу, в частности, для диагностики и изучения рака. Не возражают медики и против клонирования животных, которое может содействовать изучению болезней, поражающих людей. При этом ВОЗ считает, что хотя клонирование животных способно принести существенные выгоды медицине, нужно быть все время начеку, помня о возможных негативных последствиях — таких, например, как перенос заразных болезней от животных человеку. Опасения, высказываемые по поводу клонирования в современных культурах Запада и Востока, вполне объяснимы. Как бы суммируя их, известный французский цитобиолог Пьер Шамбон предлагает ввести 50-летний мораторий на вторжение в хромосомы человека, если это не направлено на устранение генетических дефектов и заболеваний. А вот еще вопрос не из маловажных: клонируется ли душа? Можно ли вообще считать искусственного человека личностью, наделенной ею? Точка зрения церкви на этот счет абсолютно однозначна. «Даже если такой искусственный человек будет создан руками ученых, у него не будет души, а значит, это не человек, а зомби», — считает священник Храма Вознесения Христова отец Олег. Но и в возможность создания клонированного человека представитель церкви не верит, так как убежден, что только Бог может сотворить человека. «Чтобы в клетке ДНК, помимо чисто биологических и механических соединений начался процесс роста живого человеческого существа, наделенного душой, в этом должен участвовать святой дух, а такого при искусственном зарождении жизни нет». Хабаровские цитологи. Вопросами цитологии и гистологии в Хабаровском крае занимались сотрудники Медицинского института (ныне Дальневосточный Государственный Медицинский Университет – ДВГМУ). У истоков стоял Алов Иосиф Александрович, заведующий кафедрой гистологии в 1952 – 1961 гг. С 1962 по 1982 гг. заведовал лабораторией гистологии в Институте Морфологии Человека АМН СССР в г. Москва. Ныне кафедру гистологии возглавляет Рыжавский Борис Яковлевич (с 1979 года), защитивший докторскую диссертацию в 1985 году. Основными направлениями работы кафедры гистологии являются следующие: • овариоэктология (удаление яичника) и её влияние на формирование нормальной морфологии коры больших полушарий у потомства (определяют особые количественные показатели, например, ростовые индексы и т.п.) • влияние алкоголя и ноотропных препаратов на потомство • исследование плаценты и её патологий в ходе эмбриогенеза и влияние этих отклонений на дальнейший онтогенез. Используются главным образом классические гистологические методики для решения этих задач. Также вопросами, связанными с клеткой и тканями, занимается Центральная научно-исследовательская лаборатория (ЦНИЛ) при ДВГМУ, возглавляемая профессором Сергеем Серафимовичем Тимошиным, под руководством которого защищены 3 докторских и 18 кандидатских диссертаций. По его инициативе и непосредственном участии в Хабаровском крае была создана первая радио иммунологическая лаборатория. Внедрена в практику здравоохранения методика определения гормонов и биологически- активных веществ радио иммунным и иммуноферментным методами, что позволяет осуществлять раннюю диагностику ряда заболеваний, в том числе онкологических. Заключение. Клетка – это самостоятельное живое существо. Она питается, двигается в поисках пищи, выбирает, куда идти и чем питаться, защищается и не пускает внутрь из окружающей среды неподходящие вещества и существа. Всеми этими способностями обладают одноклеточные организмы, например, амёбы. Клетки, входящие в состав организма, специализированы и не обладают некоторыми возможностями свободных клеток. Клетка – самая мелкая единица живого, лежащая в основе строения и развития растительных и животных организмов нашей планеты. Она представляет собой элементарную живую систему, способную к самообновлению, саморегуляции, самовоспроизведению. Клетка является основным «кирпичиком жизни». Вне клетки жизни нет. Живая клетка является основой всех форм жизни на Земле – животной и растительной. Исключения – а, как известно, исключения лишний раз подтверждают правила – составляют лишь вирусы, однако и они не могут функционировать вне клеток, которые представляют собой «дом», где «живут» эти своеобразные биологические образования. Список используемой литературы: 1. Батуева А.С. «Биология. Человек», учебник для 9 класса. 2. Вернандский В.И. «Проблемы биогеохимии». 3. Воронцов Н.Н., Сухорукова Л.Н. «Эволюция органического мира». 4. Дубинин Н., Губарев В. «Нить жизни». 5. Затула Д.Г., Мамедова С.А. «Вирус – друг или враг?». 6. Карузина И.П. «Учебное пособие по основам генетики». 7. Либерман Е.А. «Живая клетка». 8. Полянский Ю.И. «Общая биология», учебник для 10-11 классов. 9. Прохоров А.М. «Советский энциклопедический словарь». 10. Скулачёв В. «Рассказы о биоэнергетике». 11. Хрипкова А.Г., Колесов Д.В., Миронов В.С., Шепило И.Н. «Физиология человека». 12. Цузмер А.М., Петришина О.Л. «Биология, человек и его здоровье». 13. Чухрай Е.С. «Молекула, жизнь, организм». 14.Штрбанова С. «Кто мы? Книга о жизни, клетках и учёных».

Жизнь на планете Земля — Астрономическое сообщество БФУ им. И. Канта

Жизнь на Земле существует в огромном разнообразии форм и проявлений: видимых и невидимых глазу, простых и сложных, изменчивых и постоянных. Самое удивительное в ней то, что при фантастическом разнообразии она обладает одними и теми же признаками на всех уровнях сложности строения живых организмов. Для нее характерны следующие легко наблюдаемые признаки: рождение и развитие, воспроизведение потомства, наследование свойств и реакция на изменение внешних условий. Более скрытыми и более сложными для познания являются признаки, связанные со структурой и функционированием живых организмов: клеточное строение, использование энергии химических реакций для поддержания жизнедеятельности и способность сохранять свое внутреннее состояние при воздействии внешней среды. Все названные признаки могут быть объединены в следующий список:

• Воспроизводство.
• Способность к развитию.
• Реакция на раздражители.
• Адаптация.
• Гомеостаз.
• Метаболизм.
• Клеточное строение.
• Использование информации для функционирования.

Под гомеостазом понимается способность жизни сохранять свое внутреннее состояние при воздействии внешней среды, а метаболизм означает использование энергии химических реакций для жизненных целей.  Основываясь на данных признаках, ученые попытались дать лаконичное и достаточно точное определение того, что такое жизнь. Приведем наиболее известные из них. 

Ф. Энгельс определил жизнь как существование белковых тел, важным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей внешней природой. По М. Волькенштейну «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из полимеров – белков и нуклеиновых кислот». 

А. Ляпунов в своем определении сделал акцент на важности информации в организации жизни: «Жизнь – это высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющихся реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул».

Как видим, приведенные определения, равно как и другие, не представленные здесь, отличаются друг от друга текстовыми формулировками, но сохраняют общность в акценте на саморегуляцию и белково-молекулярную структуру. Объединяя определения М. Волькенштейна и А.Ляпунова можно сказать, что жизнь это высокоустойчивые, самоорганизующиеся и самовоспроизводящие системы, построенные из белков и нуклеиновых кислот, использующие обмен информации на молекулярном уровне для управления необходимыми физико-химическими процессами. Другими словами, жизнь это невероятно сложная по структуре и принципам функционирования молекулярная фабрика, обеспечивающая непрерывный технологический цикл воспроизводства и эволюции биологических существ.

Возникает естественный вопрос: как возникла подобная уникальная система. Есть несколько гипотез, объясняющих происхождение жизни. Самая древняя из них – концепция божественного творения, провозглашаемая последователями креационизма. Согласно этой концепции все формы жизни были созданы Творцом или Богом. Каким образом жизнь была создана Творцом, гипотеза не поясняет. Она просто постулирует факт сотворения жизни в рамках разумного замысла.

Альтернативными по отношению к концепции креационизма являются различные гипотезы естественного происхождения жизни. Они пытаются дать ответ на вопросы о том, как возникла жизнь на основе науки. Согласно доминирующим научным воззрениям жизнь является продуктом поэтапной биохимической эволюции, Вначале образовались простые органические соединения: спирты, кислоты, пурины, пиримидины. Затем наступил период образования «биомолекул» или мономеров: моносахаридов, аминокислот, жирных кислот и нуклеотидов. Завершающим этапом биохимической эволюции стало образование биополимеров: полисахаридов, белков и нуклеиновых кислот.

Для того, чтобы реализовались все три этапа биохимической эволюции необходимо наличие подходящих неорганических элементов и физических условий. Основными элементами простых органических молекул, мономеров и биополимеров являются углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера. В Таблице 1 представлен элементный состав основных органических молекул жизни.

Таблица 1. Элементный состав органических молекул жизни

Помимо наличия исходных неорганических элементов для синтеза сложных органических соединения жизни необходимы благоприятные физико-химические условия: подвижная среда, источники энергии, минералы и металлы, обеспечивающие эффективное протекание химических реакций. В качестве подвижной среды лучше всего подходят газ и жидкость, источниками энергии могут служить тепло планетных недр и солнечная радиация. История Земли показывает, что приблизительно 4 млд лет назад в Архее на нашей планете были условия, подходящие для возникновения жизни. В то далекое время Земля окончательно сформировалась как планета. Ее поверхность остыла, возникла водяная оболочка первичного океана, насыщенная солями, началась активная вулканическая деятельность, образовалась атмосфера, состоящая из водяных паров (H₂O), углекислого газа (CO₂), сероводорода (H₂S), аммиака (NH₃) и метана (CH₄). Таким образом, в самой атмосфере и в выбросах вулканов и гейзеров содержались все необходимые для синтеза жизни элементы. Это дало основание советскому биохимику Александру Опарину выдвинуть теорию возникновения  жизни из «первичного» бульона органических веществ. В таком «бульоне», по мысли А.Опарина, могли образоваться коацерваты – протоклетки — органические структуры, окружённые жировыми мембранами. На рис.1 представлена схема возникновения жизни в первичной атмосфере Земли при действии таких факторов, как извержение вулканов, солнечная радиация, падения комет и грозовых электрических разрядов. Как видно из рис.1, образование жизни начинается с переработки H₂O, CO₂, H₂S, NH₃ и CH₄ во все более сложные химические соединения. Заключительным этапом цикла Опарина является образование прокариот – простейших живых организмов.

Рис.1. Схема образования протожизни Земли по А.Опарину (источник)

Подтвердить жизнеспособность гипотезы А.Опарина о биохимическом механизме зарождения жизни на Земле решили американские биохимики Стенли Миллер и Гарольд Юри. Они создали экспериментальную установку, которая имитировала земную атмосферу на этапе возможного зарождения жизни. Схема этой установки приведена на рис.2.

Рис.2. схема экспериментальной установки Миллера и Юри (источник)

Для имитации молний в установке использовался газовый разряд, который обеспечивал химические реакции необходимой энергией. Опыты Миллера и Юри в целом оказались успешными. Они обнаружили, что в их экспериментах синтезируется 5 аминокислот (важных составных элементов живой материи). Позднее было показано, что в их опытах синтезировалось 22 аминокислоты, что еще больше подняло авторитет полученных результатов. Но это не устранило главную претензию критиков Миллера и Юри о том, что в их опытах не были синтезированы нуклеотиды – еще более важные молекулы живой материи. Чтобы снять претензии креационистов ученые-эволюционисты постарались развить основные идеи А.Опарина о биохимическом происхождении жизни. И, надо признать, им удалось значительно продвинуться в понимании возникновения таких важных элементов жизни как белки и рибонуклеиновые кислоты. Для этого они использовали самые разные подходы: эксперименты на уникальных установках, достижения молекулярной биохимии, геномики и протеомики, математическое моделирование сложных биохимических систем. Большой вклад в прояснение биохимической эволюции внесли Сидней Фокс, Томас Чек и Сидней Алтман, Уолтер Гилберт, Манфред Эйген, Юлий Ребек, Джон Корлис, Гюнтер Вэхтерсхойзер, Д.Диммер. Приведем прорывные для проблемы биохимической эволюции жизни результаты этих авторов

• С. Фокс показал, что из протеноидов могут образовываться микросферы, которые могут стать потенциальной оболочкой для протожизни.
• Т.Чек и С. Алтман открыли каталитическую способность РНК, в результате чего рибонуклеиновые кислоты способны катализировать собственные превращения.
• У. Гилберт разработал идею возникновения жизни на Земле на основе молекул РНК, в которой функцию хранения генетической информации и катализа химических реакций выполняли ансамбли молекул рибонуклеиновых кислот.
• М. Эйген открыл гиперциклы, в которых макромолекулы могут самовоспроизводиться на основе автокаталитических химических циклов.
• Ю. Ребек создал искусственную молекулу, которая может самореплицироваться в растворе хлороформа.
• Г. Вэхтерсхойзер предложил гипотезу о том, что пириты (сульфиды железа) могли быть источниками энергии для развития самореплицирующихся структур с обменом вещества на поверхности кристалла.
• Д. Диммер показали, что в концентрированном бульоне органические молекулы могут накаливаться в крошечных везикулах (пузырьках) с оболочкой из липидов. Внутри везикул могут происходить превращения, напоминающие обмен вещества в клетке. Приведенные научные достижения подтвердили обоснованность следующих положений теории биохимического зарождения жизни:

Биополимеры: нуклеотиды, полисахариды, аминокислоты, необходимые для конструирования нуклеиновых кислот могут синтезироваться в модельной среде при определенных условиях. 

Кацерваты или визикулы, способные к обмену веществом и энергией с внешней средой, могут образовываться в первичном «бульоне» на основе липидов.

Молекулы РНК за счет своих каталитических свойств способны выступать в роли агента, ответственного за образование белков и, возможно, ДНК. 

Данные выводы, не давая окончательного ответа на то, как возникла ДНК и клетка, показывают, что у биохимических процессов есть потенциал для создания самосохраняющихся и самовоспроизводящихся систем, к которым относится жизнь.

Наиболее сложным в теории биохимического синтеза жизни Земли является вопрос о том, как происходила сборка таких основных элементов жизни как дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Первая их этих кислот является носителем генетического кода, а вторая в разных вариантах служит для информационного обеспечения и управления на молекулярной фабрике жизни. Чтобы лучше представить невероятную сложность такой сборки достаточно обратиться к справочным данным по этой молекуле. Из них следует, что ДНК представляет собой гигантскую молекулу длиной в несколько сантиметров (это-то при радиусе одного атома порядка 0.1 нанометров), состоящую из сотен миллионов атомов углерода, водорода, азота, кислорода и фосфора. Структурные элементы из этих атомов закручены в двойную спираль вокруг общей оси. Диаметр спирали 2 нм, шаг спирали на котором укладывается один структурный элемент ДНК – 3.4 нм. На рис.3 изображена пространственная структура участка молекулы ДНК, рассчитанные на ЭВМ.

Рис.3. Продольная структура участка ДНК (источник)

Как видно из приведенного рисунка, молекула ДНК имеет структуру винтообразной паутины, две направляющие нити которой связаны друг с другом ячейками-перемычками. В роли ячеек выступаю нуклеотиды: тимин, аденин, гуанин и цитозин, а в роли нитей, связанные друг с другом нуклеотиды дезоксирибозы и метафосфорной кислоты. Детальная атомная структура нитей и перемычек представлена на рис. 4.

Рис. 4. Развертка участка молекулы ДНК с атомной структурой нитей и перемычек

Нуклеотиды не только скрепляют нити молекулы ДНК, но, что важнее, служат для кодирования наследственной информации, записанной в молекуле, и выполнения дополнительных операционных функций. Для кодирования информации используются кодоны – единицы генетического кода, состоящие из троек (триплетов) нуклеотидов: тимина, аденина, гуанина и цитозина. Нетрудно показать, что из четырех разных нуклеотидов можно составить 64 различных комбинаций кодонов, что более чем достаточно для записи информации о структуре 20 аминокислот, используемых в живых организмов для производства белков. Этапу выработки белков на рибосомах по калькам ДНК (процесс трансляции) предшествует этап копирования или транскрипции информации с образованием различных типов РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Информационная мРНК копирует последовательности кодонов ДНК, которые определяют набор аминокислот определенного гена. Процесс копирования осуществляется с помощью РНК-полимеразы, информация о которой также записана в ДНК. Там же помимо кодирующих последовательностей, содержатся последовательности  кодонов, выполняющие регуляторные и структурные функции.

Из приведенного краткого описания конструкционных и функциональных возможностей, заложенных в ДНК, хорошо просматривается невероятная сложность создания подобного хранилища наследственной информации. Именно эти невероятные сложности реализации заставляют многих людей, прежде всего, креационистов, не верить в то, что подобная конструкция хранения и передачи наследственной информации могла возникнуть в результате случайной игры физико-химических и био-химических процессов. Дополнительным аргументом скепсиса этих людей является исключительная сложность устройства элементарной ячейки жизни – клетки, конструкция и принципы действия которой не менее удивительны, чем ДНК. Поскольку это важно для общего понимания проблем, с которыми сталкивается теория биохимического синтеза жизни, рассмотрим вкратце, как устроена биологическая клетка и как в ней организуется обмен информацией, закодированной в ДНК. Строение животной клетки представлено на рис. 5.

Рис. 5. Строение эукариотической клетки (источник)

Следуя первоисточнику, выделим наиболее важные структурные элементы клетки: плазматическая мембрана, цитоскелет, цитоплазма, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, ядро, лизосома, митохондрии.  Отметим наиболее важные функции указанных структурных элементов.

• Плазматическая мембрана обеспечивает сохранность клетки как целого во внешней среде. Состоит в основном из фосфолипидов и липопротеидов с вкрапленными молекулами белков.
• Цитоплазма является внутренней средой клетки. Состоит из цитозеля. Химический состав цитозеля: вода (85%), белки (10%), органические соединения: углеводы, липиды, азотосодержащие соединения и неорганические соединения. Внутреннее пространство эукариотической клетки строго упорядочено. Передвижение органоидов координируется внутриклеточными «дорогами» из микротрубочек и специальных белков динеинов и кинезинов, играющих роль «двигателей».
• Рибосомы осуществляют синтеза белка. В клетке их может быть несколько миллионов. Они формируются в области ядрышек и через ядерные поры выходят в цитоплазму. 
• Эндоплазматический ретикулум обеспечивает трансляцию и транспорт белков, синтез и транспорт липидов и стероидов в клетке.  Состоит из системы переходящих друг в друга емкостей разной формы и размеров.
• Аппарат Гольджи служит для созревания некоторых белков, предназначенные для секреции или образования липосом.
• Ядро является центром управления всеми процессами клетки. В нем содержатся молекулы ДНК, происходят репликации – удвоение молекул ДНК, транскрипции – синтез молекул РНК на матрице ДНК, сборка рибосом и модификация РНК. На поверхности ядра имеются ядерные поры, через которые происходит материальный обмен между ядром и цитоплазмой.
• Лизосома отвечают за внутриклеточное переваривание макромолекул с помощью ферментов, а также секрецию вещества за пределы клетки.
• Цитоскелет – система белковых структур клетки, обеспечивающих поддержание формы и транспортировке органелл.
• Митохондрии осуществляют синтез молекул АТФ – универсальный носитель энергии в живом мире.  За счет энзиматических систем митохондрий происходит дыхание – преобразование кислорода в углекислый газ. Обычно в клетке содержится до 2000 митохондрий.

Как видно из приведенного описания, живая клетка представляет собой настоящую молекулярную фабрику, состоящую из центра управления, производственных и технологических цехов, логистической транспортной системы, центров энергообеспечения, контроля и безопасности, цехов утилизации отходов. Это не просто молекулярная фабрика, а суперсовременное биохимическое производство, на котором вырабатываются сотни сложных химических соединений на основе тонких технологий. Без преувеличения можно сказать, что это такое же чудо природы, как и молекула ДНК. И сразу бросается в глаза бездонная пропасть в уровне организации молекулярных реакций, происходящих в клетке и колбе Миллера – Юри и современных экспериментальных установках по биохимическому синтезу жизни. Через эту пропасть вот уже более полувека пытаются проложить надежный мост ученые. Как было показано выше, они достигли определенных успехов в этом вопросе. Им удалось выяснить, каким образом в ходе естественной эволюции могли синтезироваться нуклеотиды, простые и сложные белки, различные РНК. Благодаря этому на мозаике «Происхождение жизни» появляется все больше элементов и черты будущей картины проявляются все четче и четче. Можно не сомневаться, что придет время, когда все элементы мозаики займут свои места и люди узнают, как возникла жизнь на Земле.

Рис. 6. Хронограмма Земли с указанием основных эпох (источник)

(PDF) БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ С ОСНОВАМИ ЭМБРИОЛОГИИ И ГИСТОЛОГИИ

на основе более или менее разветвленного углеродного скелета (цепочка атомов углерода с

присоединенными к ней различными боковыми атомами, чаще всего атомами водорода и

кислорода). Простые органические молекулы встречаются повсеместно и в неживой природе

(например, природный газ метан – CH

4

), они найдены даже в космическом пространстве.

Живые клетки синтезируют очень крупные органические молекулы – макромолекулы,

сложность которых не идѐт ни в какое сравнение со сложностью органики, встречающейся в

неживой природе.

Основными химическими элементами, входящими в состав биологически значимых

органических макромолекул, являются углерод, водород, кислород и азот. Причина того, что

эти четыре элемента так идеально подходят к выполнению биологических функций,

заключается в том, что все они легко образуют ковалентные связи посредством спаривания

электронов. Для того чтобы полностью укомплектовать свои внешние электронные оболочки

и образовать стабильные ковалентные связи, кислороду требуется два электрона, азоту – три,

углероду – четыре, а водород легко отдает им свой единственный электрон. Кроме того,

кислород, азот и углерод образуют и одинарные, и двойные связи, благодаря чему могут

формировать самые разнообразные химические соединения. Наконец, среди элементов,

образующих ковалентные связи, они самые легкие, а прочность ковалентной связи, как

известно, обратно пропорциональна атомным весам взаимодействующих атомов. Видимо,

все указанные причины и определили тот факт, что живые организмы «выбрали» именно эти

элементы для построения основы своего тела. Наряду с этими базовыми элементами,

жизненно необходимыми являются и так называемые макроэлементы (фосфор, сера, натрий,

калий, магний, кальций, хлор), присутствующие в организмах в достаточно высоких

концентрациях, а также микроэлементы (железо, медь, цинк, марганец, хром, селен,

молибден, йод, кобальт, и др.), встречающиеся в следовых количествах. Более 99% общей

массы клетки приходится на долю шести химических элементов – С, Н, N, О, Р, S.

Любая материя существует в движении. Под движением материи подразумевается в

первую очередь ее непрерывное изменение, развитие, постоянный переход вещества в поле и

обратно. Движение материи описывается физиками с помощью II-го начала (закона)

термодинамики. Согласно этому закону, энтропия (мера хаоса) мира стремится к

максимуму. Считается, что после Большого Взрыва, в результате которого образовалась

наша Вселенная, вся материя существует в неравновесном состоянии, т.е. в виде сгустков

вещества и энергии и разреженных пространств. Другими словами, материя имеет некую

структуру, обусловленную в первую очередь химическими связями между атомами. Как

известно, любая химическая связь заключает в себе запас энергии, поэтому поддержание

структурированного состояния материи требует определенных энергетических затрат.

Отсюда следует важнейшее обобщение термодинамики – любая структурированная

материя самопроизвольно (т.е. без внешних энергетических затрат) стремится перейти в

диффузное (равновесное) состояние. Это означает, что любая крупная молекула стремится

распасться на более простые вещества, при этом энергия разорванных химических связей

рассеивается в пространстве. Таким образом, распад вещества всегда сопровождается

выделением энергии (рис. 1, правая часть схемы). Однако, в открытых системах, т.е. в

системах, способных поглощать вещество и энергию и обмениваться ими с внешней средой,

наблюдается и обратный процесс – процесс усложнения материи. Мы видим, что в ходе

эволюции Вселенной появляются всѐ более сложные, тонко устроенные системы: звѐздные

системы и галактики, сложные атомы и молекулы, в том числе органические вещества,

живые создания, разум. Другими словами, материя способна к самоорганизации, но этот

процесс сопровождается поглощением внешней энергии. При этом общий уровень энтропии

во Вселенной продолжает возрастать, но локально, в благоприятных условиях материя

способна усложняться с поддержанием постоянного уровня энтропии или даже с его

уменьшением. Особенно ярко это свойство выражено в живых системах. Живая материя

способна какое-то время (пока она действительно жива) противостоять процессу

необратимого распада. Это возможно благодаря тому, что живые системы используют

молекула АТФ – что это такое. IV. Домашнее задание

В биологии АТФ — это источник энергии и основа жизни. АТФ — аденозинтрифосфат — участвует в процессах метаболизма и регулирует биохимические реакции в организме.

Что это?

Понять, что такое АТФ, поможет химия. Химическая формула молекулы АТФ — C10h26N5O13P3. Запомнить полное название несложно, если разбить его на составные части. Аденозинтрифосфат или аденозинтрифосфорная кислота — нуклеотид, состоящий из трёх частей:

• аденина — пуринового азотистого основания;
• рибозы — моносахарида, относящегося к пентозам;
• трёх остатков фосфорной кислоты.

Рис. 1. Строение молекулы АТФ.

Более подробная расшифровка АТФ представлена в таблице.

АТФ впервые обнаружили гарвардские биохимики Суббарао, Ломан, Фиске в 1929 году. В 1941 году немецкий биохимик Фриц Липман установил, что АТФ является источником энергии живого организма.

Образование энергии

Фосфатные группы соединены между собой высокоэнергетическими связями, которые легко разрушаются. При гидролизе (взаимодействии с водой) связи фосфатной группы распадаются, высвобождая большое количество энергии, а АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту).

Условно химическая реакция выглядит следующим образом:

ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой

АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4 + энергия

Рис. 2. Гидролиз АТФ.

Часть высвободившейся энергии (около 40 кДж/моль) участвует в анаболизме (ассимиляции, пластическом обмене), часть — рассеивается в виде тепла для поддержания температуры тела. При дальнейшем гидролизе АДФ отщепляется ещё одна фосфатная группа с высвобождением энергии и образованием АМФ (аденозин-монофосфата). АМФ гидролизу не подвергается.

Синтез АТФ

АТФ располагается в цитоплазме, ядре, хлоропластах, в митохондриях. Синтез АТФ в животной клетке происходит в митохондриях, а в растительной — в митохондриях и хлоропластах.

АТФ образуется из АДФ и фосфата с затратой энергии. Такой процесс называется фосфорилированием:

АДФ + Н3РО4 + энергия → АТФ + Н2О

Рис. 3. Образование АТФ из АДФ.

В растительных клетках фосфорилирование происходит при фотосинтезе и называется фотофосфорилированием. У животных процесс протекает при дыхании и называется окислительным фосфорилированием.

В животных клетках синтез АТФ происходит в процессе катаболизма (диссимиляции, энергетического обмена) при расщеплении белков, жиров, углеводов.

Функции

Из определения АТФ понятно, что эта молекула способна давать энергию. Помимо энергетической аденозинтрифосфорная кислота выполняет другие функции:

• является материалом для синтеза нуклеиновых кислот;
• является частью ферментов и регулирует химические процессы, ускоряя или замедляя их протекание;
• является медиатором — передаёт сигнал синапсам (местам контакта двух клеточных мембран).

Что мы узнали?

Из урока биологии 10 класса узнали о строении и функциях АТФ — аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ состоит из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты. При гидролизе фосфатные связи разрушаются, что высвобождает энергию, необходимую для жизнедеятельности организмов.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 621.

На рисунке представлены два способа изображения структуры АТФ . Аденозинмонофосфат (АМФ), аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ) относятся к классу соединений, называемых нуклеогидами. Молекула нук-леотида состоит из пятиуглеродного сахара, азотистого основания и фосфорной кислоты. В молекуле АМФ сахар представлен рибо-зой, а основание — аденином. В молекуле АДФ две фосфатные группы, а в молекуле АТФ — три.

Значение АТФ

При расщеплении АТФ на АДФ и неорганический фосфат (Фн) высвобождается энергия:

Реакция идет с поглощением воды , т. е. представляет собой гидролиз (в нашей статье мы много раз встречались с этим весьма распространенным типом биохимических реакций). Отщепившаяся от АТФ третья фосфатная группа остается в клетке в виде неорганического фосфата (Фн). Выход свободной энергии при этой реакции составляет 30,6 кДж на 1 моль АТФ.

Из АДФ и фосфата может быть вновь синтезирован АТФ, но для этого требуется затратить 30,6 кДж энергии на 1 моль вновь образованного АТФ.

В этой реакции , называемой реакцией конденсации, вода выделяется. Присоединение фосфата к АДФ называется реакцией фосфорилирования. Оба приведенных выше уравнения можно объединить:

Катализирует данную обратимую реакцию фермент, называемый АТФазой .

Всем клеткам, как уже было сказано, для выполнения их работы необходима энергия и для всех клеток любого организма источником этой энергии служит АТФ . Поэтому АТФ называют «универсальным носителем энергии» или «энергетической валютой» клеток. Подходящей аналогией служат электрические батарейки. Вспомните, для чего только мы их не используем. Мы можем получать с их помощью в одном случае свет, в другом звук, иногда механическое движение, а иногда нам нужна от них собственно электрическая энергия. Удобство батареек в том, что один и тот же источник энергии — батарейку — мы можем использовать для самых разных целей в зависимости от того, куда мы ее поместим. Эту же роль играет в клетках АТФ. Он поставляет энергию для таких различных процессов, как мышечное сокращение, передача нервных импульсов, активный транспорт веществ или синтез белков, и для всех прочих видов клеточной активности. Для этого он должен быть просто «подключен» к соответствующей части аппарата клетки.

Аналогию можно продолжить. Батарейки требуется сначала изготовить, а некоторые из них (аккумуляторные) так же, как и , можно перезарядить. При изготовлении батареек на фабрике в них должно быть заложено (и тем самым израсходовано фабрикой) определенное количество энергии. Для синтеза АТФ тоже требуется энергия; источником ее служит окисление органических веществ в процессе дыхания. Поскольку для фосфорилирования АДФ энергия высвобождается в процессе окисления, такое фосфорилирование называют окислительным. При фотосинтезе АТФ образуется за счет световой энергии. Этот процесс называют фотофос-форилированием (см. разд. 7.6.2). Есть в клетке и «фабрики», производящие большую часть АТФ. Это митохондрии; в них размешаются химические «сборочные линии», на которых образуется АТФ в процессе аэробного дыхания. Наконец, в клетке происходит и перезарядка разрядившихся «аккумуляторов»: после того как АТФ, высвободив заключенную в нем энергию, превратится в АДФ и Фн, он может быть вновь быстро синтезирован из АДФ и Фн за счет энергии, полученной в процессе дыхания от окисления новой порции органических веществ.

Количество АТФ в клетке в любой данный момент очень невелико. Поэтому в АТФ следует видеть только носителя энергии, а не ее депо. Для длительного хранения энергии служат такие вещества, как жиры или гликоген. Клетки весьма чувствительны к уровню АТФ. Как только скорость его использования возрастает, одновременно возрастает и скорость процесса дыхания, поддерживающего этот уровень.

Роль АТФ в качестве связующего звена между клеточным дыханием и процессами, идущими с потреблением энергии, видна из рисунка Схема эта выглядит простой, но она иллюстрирует очень важную закономерность.

Можно, таким образом, сказать, что в целом функция дыхания заключается в том, чтобы вырабатывать АТФ .

Суммируем вкратце сказанное выше.
1. Для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата требуется 30,6 кДж энергии на 1 моль АТФ.
2. АТФ присутствует во всех живых клетках и является, следовательно, универсальным носителем энергии. Другие носители энергии не используются. Это упрощает дело — необходимый клеточный аппарат может быть более простым и работать более эффективно и экономно.
3. АТФ легко доставляет энергию в любую часть клетки к любому нуждающемуся в энергии процессу.
4. АТФ быстро высвобождает энергию. Для этого требуется всего лишь одна реакция — гидролиз.
5. Скорость воспроизводства АТФ из АДФ и неорганического фосфата (скорость процесса дыхания) легко регулируется в соответствии с потребностями.
6. АТФ синтезируется во время дыхания за счет химической энергии, высвобождаемой при окислении таких органических веществ, как глюкоза, и во время фотосинтеза — за счет солнечной энергии. Образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата называют реакцией фос-форилирования. Если энергию для фос-форилирования поставляет окисление, то говорят об окислительном фосфорилиро-вании (этот процесс протекает при дыхании), если же для фосфорилирования используется световая энергия, то процесс называют фотофосфорилированием (это имеет место при фотосинтезе).

В основе всех живых процессов лежит атомно-молекулярное движение. Как дыхательный процесс, так и клеточное развитие, деление невозможны без энергии. Источником энергетического снабжения является АТФ, что это такое и как образуется рассмотрим далее.

Перед изучением понятия АТФ необходима его расшифровка. Данный термин означает нуклеозидтрифосфат, который существенно значим для энергетического и вещественного обмена в составе организма.

Это уникальный энергетический источник, лежащий в основе биохимических процессов. Данное соединение является основополагающим для ферментативного образования.

АТФ был открыт в Гарварде в 1929 году. Основоположниками стали ученые Гарвардской медицинской школы. В их число вошли Карл Ломан, Сайрус Фиске и Йеллапрагада Суббарао. Они выявили соединение, которое по строению напоминало адениловый нуклеотид рибонуклеиновых кислот.

Отличительной особенностью соединения было содержание трех остатков фосфорной кислоты вместо одного. В 1941 году ученый Фриц Липман доказал, что АТФ имеет энергетический потенциал в пределах клетки. Впоследствии был обнаружен ключевой фермент, который получил название АТФ-синтаза. Его задача – образование в митохондриях кислотных молекул.

АТФ – это энергетический аккумулятор в клеточной биологии, является обязательным для успешного осуществления биохимических реакций.

Биология аденозинтрифосфорной кислоты предполагает ее образование в результате энергетического обмена. Процесс состоит из создания 2 молекул на второй стадии. Остальные 36 молекул появляются на третьем этапе.

Скопление энергии в структуре кислоты происходит в связующей части между остатками фосфора. В случае отсоединения 1 фосфорного остатка происходит энергетическое выделение 40 кДж.

В результате кислота превращается в аденозиндифосфат (АДФ). Последующее фосфатное отсоединение способствует появлению аденозинмонофосфата (АМФ).

Следует отметить, цикл растений предусматривает повторное использование АМФ и АДФ, в результате которого происходит восстановление этих соединений до состояния кислоты. Это обеспечивается процессом .

Строение

Раскрытие сущности соединения возможно после изучения того, какие соединения входят в состав молекулы АТФ.

Какие соединения входят в состав кислоты:

• 3 остатка фосфорной кислоты. Кислотные остатки объединяются друг с другом посредством энергетических связей неустойчивого характера. Встречается также под названием ортофосфорной кислоты;
• аденин: Является азотистым основанием;
• рибоза: Представляет собой пентозный углевод.

Вхождение в состав АТФ данных элементов присваивает ей нуклеотидное строение. Это позволяет относить молекулу к категории нуклеиновых кислот.

Важно! В результате отщепления кислотных молекул происходит высвобождение энергии. Молекула АТФ содержит 40 кДж энергии.

Образование

Формирование молекулы происходит в митохондриях и хлоропластах. Основополагающий момент в молекулярном синтезе кислоты – диссимиляционный процесс. Диссимиляция – процесс перехода сложного соединения до относительно простого за счет разрушения.

В рамках синтеза кислоты принято выделять несколько стадий:

1. Подготовительная. Основа расщепления – пищеварительный процесс, обеспечивается за счет ферментативного действия. Распаду подвергается пища, попавшая в организм. Происходит жировое разложение до жирных кислот и глицерина. Белки распадаются до аминокислот, крахмал – до образования глюкозы. Этап сопровождается выделением энергии теплового характера.
2. Бескислородная, или гликолиз. В основе лежит процесс распада. Происходит глюкозное расщепление с участием ферментов, при этом 60% выделяемой энергии превращается в тепло, остальная часть остается в составе молекулы.
3. Кислородная, или гидролиз; Осуществляется внутри митохондрий. Происходит с помощью кислорода и ферментов. Участвует выдыхаемый организмом кислород. Завершается полной . Подразумевает энергетическое выделение для формирования молекулы.

Существуют следующие пути молекулярного образования:

1. Фосфорилирование субстратного характера. Основано на энергии веществ в результате окисления. Превалирующая часть молекулы формируется в митохондриях на мембранах. Осуществляется без участия ферментов мембраны. Совершается в цитоплазматической части посредством гликолиза. Допускается вариант образования за счет транспортировки фосфатной группы с иных макроэргических соединений.
2. Фосфорилирование окислительного характера. Происходит за счет окислительной реакции.
3. Фотофосфорилирование у растений в ходе фотосинтеза.

Значение

Основополагающее значение молекулы для организма раскрывается через то, какую функцию выполняет АТФ.

Функционал АТФ включает следующие категории:

1. Энергетическую. Обеспечивает организм энергией, является энергетической основой физиологических биохимических процессов и реакций. Происходит за счет 2 высокоэнергетических связей. Подразумевает мышечное сокращение, формирование трансмембранного потенциала, обеспечение молекулярного переноса сквозь мембраны.
2. Основу синтеза. Считается исходным соединением для последующего образования нуклеиновых кислот.
3. Регулятивную. Лежит в основе регуляции большинства процессов биохимического характера. Обеспечивается за счет принадлежности к аллостерическому эффектору ферментативного ряда. Воздействует на активность регуляторных центров путем их усиления или подавления.
4. Посредническую. Считается вторичным звеном в передаче гормонального сигнала в клетку. Является предшественником образования циклического АДФ.
5. Медиаторную. Является сигнальным веществом в синапсах и иных взаимодействиях клеточного характера. Обеспечивается пуринергическая сигнальная передача.

Среди вышеперечисленных моментов главенствующее место отводится энергетической функции АТФ.

Важно понимать , независимо от того, какую функцию выполняет АТФ, ее значение универсально.

Полезное видео

Подведем итоги

В основе физиологических и биохимических процессов лежит существование молекулы АТФ. Основная задача соединений – энергетическое обеспечение. Без соединения невозможна жизнедеятельность как растений, так и животных.

Вконтакте

В теле человека около 70 триллионов клеток. Для здорового роста каждой из них необходимы помощники — витамины. Молекулы витаминов малы, но их недостаток всегда заметен. Если тяжело адаптироваться к темноте, вам нужны витамины А и В2, появилась перхоть — не хватает B12, B6, P, долго не заживают синяки — дефицит витамина С. На этом уроке вы узнаете о том, как и где в клетке хранится и обрабатывается стратегический запас витаминов, как витамины активизируют работу организма, а также узнаете об АТФ — главном источнике энергии в клетке.

Тема: Основы цитологии

Урок: Строение и функции АТФ

Как вы помните, нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидов . Оказалось, что в клетке нуклеотиды могут находиться в связанном состоянии или в свободном состоянии. В свободном состоянии они выполняют ряд важных для жизнедеятельности организма функций.

К таким свободным нуклеотидам относится молекула АТФ или аденозинтрифосфорная кислота (аденозинтрифосфат). Как и все нуклеотиды, АТФ состоит из пятиуглеродного сахара — рибозы , азотистого основания — аденина , и, в отличие от нуклеотидов ДНК и РНК, трех остатков фосфорной кислоты (рис. 1).

Рис. 1. Три схематических изображения АТФ

Важнейшая функция АТФ состоит в том, что она является универсальным хранителем и переносчиком энергии в клетке.

Все биохимические реакции в клетке, которые требуют затрат энергии, в качестве ее источника используют АТФ.

При отделении одного остатка фосфорной кислоты, АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфат ). Если отделяется ещё один остаток фосфорной кислоты (что случается в особых случаях), АДФ переходит в АМФ (аденозинмонофосфат) (рис. 2).

Рис. 2. Гидролиза АТФ и превращение её в АДФ

При отделении второго и третьего остатков фосфорной кислоты освобождается большое количество энергии, до 40 кДж. Именно поэтому связь между этими остатками фосфорной кислоты называют макроэргической и обозначают соответственным символом.

При гидролизе обычной связи выделяется (или поглощается) небольшое количество энергии, а при гидролизе макроэргической связи выделяется намного больше энергии (40 кДж). Связь между рибозой и первым остатком фосфорной кислоты не является макроэргической, при её гидролизе выделяется всего 14 кДж энергии.

Макроэргические соединения могут образовываться и на основе других нуклеотидов, например ГТФ (гуанозинтрифосфат) используется как источник энергии в биосинтезе белка, принимает участие в реакциях передачи сигнала, является субстратом для синтеза РНК в процессе транскрипции, но именно АТФ является наиболее распространенным и универсальным источником энергии в клетке.

АТФ содержится как в цитоплазме , так и в ядре, митохондриях и хлоропластах .

Таким образом, мы вспомнили, что такое АТФ, каковы её функции, и что такое макроэргическая связь.

Витамины — биологически активные органические соединения, которые в малых количествах необходимы для подержания процессов жизнедеятельности в клетке.

Они не являются структурными компонентами живой материи, и не используются в качестве источника энергии.

Большинство витаминов не синтезируются в организме человека и животных, а поступают в него с пищей, некоторые синтезируются в небольших количествах микрофлорой кишечника и тканями (витамин D синтезируется кожей).

Потребность человека и животных в витаминах не одинакова и зависит от таких факторов как пол, возраст, физиологическое состояние и условия среды обитания. Некоторые витамины нужны не всем животным.

Например, аскорбиновая кислота, или витамин С, необходим человеку и другим приматам. Вместе с тем, он синтезируется в организме рептилий (моряки брали в плавания черепах, для борьбы с цингой — авитаминозом витамина С).

Витамины были открыты в конце XIX века благодаря работам русских ученых Н. И. Лунина и В. Пашутина, которые показали, что для полноценного питания необходимо не только наличие белков, жиров и углеводов, но и ещё каких-то других, на тот момент неизвестных, веществ.

В 1912 году польский ученый К. Функ (Рис. 3), изучая компоненты шелухи риса, предохраняющей от болезни Бери-Бери (авитаминоз витамина В), предположил, что в состав этих веществ обязательно должны входить аминные группировки. Именно он предложили назвать эти вещества витаминами, то есть аминами жизни.

В дальнейшем было установлено, что многие из этих веществ аминогрупп не содержат, но термин витамины хорошо прижился в языке науки и практики.

По мере открытия отдельных витаминов, их обозначали латинскими буквами и называли в зависимости от выполняемых функций. Например, витамин Е назвали токоферол (от др.-греч. τόκος — «деторождение», и φέρειν — «приносить»).

Сегодня витамины делят по их способности растворяться в воде или в жирах.

К водорастворимым витаминам относят витамины H , C , P , В .

К жирорастворимым витаминам относят A , D , E , K (можно запомнить, как слово: кеда ) .

Как уже было отмечено, потребность в витаминах зависит от возраста, пола, физиологического состояния организма и среды обитания. В молодом возрасте отмечена явная нужда в витаминах. Ослабленный организм тоже требует больших доз этих веществ. С возрастом способность усваивать витамины падает.

Потребность в витаминах также определяется способностью организма их утилизировать.

В 1912 году польский ученый Казимир Функ получил из шелухи риса частично очищенный витамин B1 — тиамин. Ещё 15 лет понадобилось для получения этого вещества в кристаллическом состоянии.

Кристаллический витамин B1 бесцветен, обладает горьковатым вкусом и хорошо растворим в воде. Тиамин найден как в растительных, так и микробных клетках. Особенно много его в зерновых культурах и дрожжах (рис. 4).

Рис. 4. Тиамин в виде таблеток и в продуктах питания

Термическая обработка пищевых продуктов и различные добавки разрушают тиамин. При авитаминозе наблюдаются патологии нервной, сердечно-сосудистой и пищеварительной систем. Авитаминоз приводит к нарушению водного обмена и функции кроветворения. Один из ярких примеров авитаминоза тиамина — это развитие болезни Бери-Бери (рис. 5).

Рис. 5. Человек, страдающий от авитаминоза тиамина — болезни бери-бери

Витамин В1 широко применяется в медицинской практике для лечения различных нервных заболеваний, сердечно-сосудистых расстройств.

В хлебопечении тиамин вместе с другим витаминами — рибофлавином и никотиновой кислотой используется для витаминизации хлебобулочных изделий.

В 1922 году Г. Эванс и А. Бишо открыли жирорастворимый витамин, названный ими токоферолом или витамином Е (дословно: «способствующий родам»).

Витамин Е в чистом виде — маслянистая жидкость. Он широко распространен в злаковых культурах, например в пшенице. Его много в растительных, животных жирах (рис. 6).

Рис. 6. Токоферол и продукты, которые его содержат

Много витамина E в моркови, в яйцах и молоке. Витамин E является антиоксидантом , то есть защищает клетки от патологического окисления, которое приводит их к старению и гибели. Он является «витамином молодости». Огромно значение витамина для половой системы, поэтому его часто называют витамином размножения.

Вследствие этого, дефицит витамина Е, в первую очередь, приводит к нарушению эмбриогенеза и работы репродуктивных органов.

Производство витамина Е основано на выделении его из зародышей пшеницы — методом спиртовой экстракции и отгонки растворителей при низких температурах.

В медицинской практике используют как природные, так и синтетические препараты — токоферолаацетат в растительном масле, заключенный в капсулу (знаменитый «рыбий жир»).

Препараты витамина Е используются как антиоксиданты при облучениях и других патологических состояниях, связанных с повышенным содержанием в организме ионизированных частиц и активных форм кислорода.

Кроме того, витамин Е назначают беременным женщинам, а также используют в комплексной терапии лечения бесплодия, при мышечной дистрофии и некоторых заболеваниях печени.

Витамин А (рис. 7) был открыт Н. Друммондом в 1916 году.

Этому открытию предшествовали наблюдения за наличием жирорастворимого фактора в пище, необходимого для полноценного развития сельскохозяйственных животных.

Витамин А недаром занимает первое место в витамином алфавите. Он участвует практически во всех процессах жизнедеятельности. Этот витамин необходим для восстановления и сохранения хорошего зрения.

Он также помогает вырабатывать иммунитет ко многим заболеваниям, в том числе и простудным.

Без витамина А невозможно здоровое состояние эпителия кожи. Если у вас «гусиная кожа», которая чаще всего появляется на локтях, бедрах, коленях, голенях, если появилась сухость кожи на руках или возникают другие подобные явления, это означает, что вам недостает витамина А.

Витамин А, как и витамин Е, необходим для нормального функционирования половых желез (гонад). При гиповитаминозе витамина А отмечено повреждение репродуктивной системы и органов дыхания.

Одним из специфических последствий недостатка витамина А является нарушение процесса зрения, в частности снижение способности глаз к темновой адаптации — куриная слепота . Авитаминоз приводит к возникновению ксерофтальмии и разрушению роговицы. Последний процесс необратим, и характеризуется полной потерей зрения. Гипервитаминоз приводит к воспалению глаз и нарушению волосяного покрова, потери аппетита и полному истощению организма.

Рис. 7. Витамин А и продукты, которые его содержат

Витамины группы А, в первую очередь, содержатся в продуктах животного происхождения: в печени, в рыбьем жире, в масле, в яйцах (рис. 8).

Рис. 8. Содержание витамина А в продуктах растительного и животного происхождения

В продуктах растительного происхождения содержатся каротиноиды, которые в организме человека под действием фермента каротиназы переходят в витамин А.

Таким образом, Вы познакомились сегодня со структурой и функциями АТФ, а также вспомнили о значении витаминов и выяснили, как некоторые из них участвуют в процессах жизнедеятельности.

При недостаточном поступлении витаминов в организм развивается первичный авитаминоз. Разные продукты содержат разное количество витаминов.

Например, морковь содержит много провитамина А (каротина), капуста содержит витамин С и т. д. Отсюда проистекает необходимость сбалансированной диеты, включающей в себя разнообразные продукты растительного и животного происхождения.

Авитаминоз при нормальных условиях питания встречается очень редко, гораздо чаще встречаются гиповитаминозы , которые связаны с недостаточным поступлением с пищей витаминов.

Гиповитаминоз может возникать не только в результате несбалансированного питания, но и как следствие различных патологий со стороны желудочно-кишечного тракта или печени, или в результате различных эндокринных или инфекционных заболеваний, которые приводят к нарушению всасывания витаминов в организме.

Некоторые витамины вырабатываются кишечной микрофлорой (микробиотой кишечника). Подавление биосинтетических процессов в результате действия антибиотиков может также привести к развитию гиповитаминоза , как следствия дисбактериоза .

Чрезмерное употребление пищевых витаминных добавок, а также лекарственных средств, содержащих витамины, приводит к возникновению патологического состояния — гипервитаминоза . Особенно это характерно для жирорастворимых витаминов, таких как A , D , E , K .

Домашнее задание

1. Какие вещества называют биологически активными?

2. Что такое АТФ? В чем особенность строения молекулы АТФ? Какие типы химической связи существуют в этой комплексной молекуле?

3. Каковы функции АТФ в клетках живых организмов?

4. Где происходит синтез АТФ? Где осуществляется гидролиз АТФ?

5. Что такое витамины? Каковы их функции в организме?

6. Чем витамины отличаются от гормонов?

7. Какие классификации витаминов вам известны?

8. Что такое авитаминоз, гиповитаминоз и гипервитаминоз? Приведите примеры этих явлений.

9. Какие заболевания могут быть следствием недостаточного или избыточного поступления витаминов в организм?

10. Обсудите с друзьями и родственниками свое меню, подсчитайте, пользуясь дополнительной информацией о содержании витаминов в разных продуктах питания, достаточно ли витаминов вы получаете.

1. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов ().

2. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов ().

3. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов ().

Список литературы

1. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.

2. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. — 11-е изд., стереотип. — М.: Просвещение, 2012. — 304 с.

3. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. — 6-е изд., доп. — Дрофа, 2010. — 384 с.

АТФ или по полной расшифровке аденозинтрифосфорная кислота, является «аккумулятором» энергии в клетках организма. Ни одна биохимическая реакция не проходит без участия АТФ. Молекулы АТФ находятся в ДНК и РНК.

Состав АТФ

Молекула АТФ имеет три составляющих: три остатка фосфорной кислоты, аденин и рибоза. То есть, АТФ имеет строение нуклеотида и относится к нуклеиновым кислотам. Рибоза-это углевод,а аденин-азотистое основание. Остатки кислоты объединены друг с другом неустойчивыми энергетическими связями. Энергия появляется при отщеплении молекул кислоты. Отделение происходит благодаря биокатализаторам. После отъединения, молекула АТФ уже превращается в АДФ (если отщепилась одна молекула) или в АМФ (если отщепились две молекулы кислоты). При отделении одной молекулы фосфорной кислоты выходит 40 кДж энергии.

Роль в организме

АТФ играет не только энергетическую роль в организме,но и ряд других:

• является результатом синтезирования нуклеиновых кислот.
• регулирование многие биохимических процессов.
• сигнального вещества в других взаимодействиях клеток.

Синтез АТФ

Получение АТФ проходит в хлоропластах и митохондриях. Важнейший процесс в синтезировании молекул АТФ — это диссимиляции. Диссимиляция — это разрушение сложного до более простого.

Синтез АТФ проходит не в один этап, а в три этапа:

1. Первый этап — подготовительный. Под действием ферментов в пищеварении происходит распад того, что мы поглотили. При этом жиры разлагаются до глицерина и жирных кислот, белки до аминокислот, а крахмал до глюкозы. То есть, всё подготавливается для дальнейшего использования. Выделяется тепловая энергия
2. Второй этап — это гликолиз (безкислородный). Вновь происходит распад, но здесь распаду подвергается ещё и глюкоза. Так же участвуют ферменты. Но 40 % энергии остаются в АТФ, а остальное расходуется в тепло.
3. Третий этап — гидролиз (кислородный). Он происходит уже в самих митохондриях. Здесь участие принимает и кислород, который мы вдыхаем, и ферменты. После полной диссимиляции выделяется энергия для образования АТФ.

Аденозинтрифосфорная кислота или кратко атф. Строение АТФ и биологическая роль

На рисунке представлены два способа изображения структуры АТФ . Аденозинмонофосфат (АМФ), аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ) относятся к классу соединений, называемых нуклеогидами. Молекула нук-леотида состоит из пятиуглеродного сахара, азотистого основания и фосфорной кислоты. В молекуле АМФ сахар представлен рибо-зой, а основание — аденином. В молекуле АДФ две фосфатные группы, а в молекуле АТФ — три.

Значение АТФ

При расщеплении АТФ на АДФ и неорганический фосфат (Фн) высвобождается энергия:

Реакция идет с поглощением воды , т. е. представляет собой гидролиз (в нашей статье мы много раз встречались с этим весьма распространенным типом биохимических реакций). Отщепившаяся от АТФ третья фосфатная группа остается в клетке в виде неорганического фосфата (Фн). Выход свободной энергии при этой реакции составляет 30,6 кДж на 1 моль АТФ.

Из АДФ и фосфата может быть вновь синтезирован АТФ, но для этого требуется затратить 30,6 кДж энергии на 1 моль вновь образованного АТФ.

В этой реакции , называемой реакцией конденсации, вода выделяется. Присоединение фосфата к АДФ называется реакцией фосфорилирования. Оба приведенных выше уравнения можно объединить:

Катализирует данную обратимую реакцию фермент, называемый АТФазой .

Всем клеткам, как уже было сказано, для выполнения их работы необходима энергия и для всех клеток любого организма источником этой энергии служит АТФ . Поэтому АТФ называют «универсальным носителем энергии» или «энергетической валютой» клеток. Подходящей аналогией служат электрические батарейки. Вспомните, для чего только мы их не используем. Мы можем получать с их помощью в одном случае свет, в другом звук, иногда механическое движение, а иногда нам нужна от них собственно электрическая энергия. Удобство батареек в том, что один и тот же источник энергии — батарейку — мы можем использовать для самых разных целей в зависимости от того, куда мы ее поместим. Эту же роль играет в клетках АТФ. Он поставляет энергию для таких различных процессов, как мышечное сокращение, передача нервных импульсов, активный транспорт веществ или синтез белков, и для всех прочих видов клеточной активности. Для этого он должен быть просто «подключен» к соответствующей части аппарата клетки.

Аналогию можно продолжить. Батарейки требуется сначала изготовить, а некоторые из них (аккумуляторные) так же, как и , можно перезарядить. При изготовлении батареек на фабрике в них должно быть заложено (и тем самым израсходовано фабрикой) определенное количество энергии. Для синтеза АТФ тоже требуется энергия; источником ее служит окисление органических веществ в процессе дыхания. Поскольку для фосфорилирования АДФ энергия высвобождается в процессе окисления, такое фосфорилирование называют окислительным. При фотосинтезе АТФ образуется за счет световой энергии. Этот процесс называют фотофос-форилированием (см. разд. 7.6.2). Есть в клетке и «фабрики», производящие большую часть АТФ. Это митохондрии; в них размешаются химические «сборочные линии», на которых образуется АТФ в процессе аэробного дыхания. Наконец, в клетке происходит и перезарядка разрядившихся «аккумуляторов»: после того как АТФ, высвободив заключенную в нем энергию, превратится в АДФ и Фн, он может быть вновь быстро синтезирован из АДФ и Фн за счет энергии, полученной в процессе дыхания от окисления новой порции органических веществ.

Количество АТФ в клетке в любой данный момент очень невелико. Поэтому в АТФ следует видеть только носителя энергии, а не ее депо. Для длительного хранения энергии служат такие вещества, как жиры или гликоген. Клетки весьма чувствительны к уровню АТФ. Как только скорость его использования возрастает, одновременно возрастает и скорость процесса дыхания, поддерживающего этот уровень.

Роль АТФ в качестве связующего звена между клеточным дыханием и процессами, идущими с потреблением энергии, видна из рисунка Схема эта выглядит простой, но она иллюстрирует очень важную закономерность.

Можно, таким образом, сказать, что в целом функция дыхания заключается в том, чтобы вырабатывать АТФ .

Суммируем вкратце сказанное выше.
1. Для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата требуется 30,6 кДж энергии на 1 моль АТФ.
2. АТФ присутствует во всех живых клетках и является, следовательно, универсальным носителем энергии. Другие носители энергии не используются. Это упрощает дело — необходимый клеточный аппарат может быть более простым и работать более эффективно и экономно.
3. АТФ легко доставляет энергию в любую часть клетки к любому нуждающемуся в энергии процессу.
4. АТФ быстро высвобождает энергию. Для этого требуется всего лишь одна реакция — гидролиз.
5. Скорость воспроизводства АТФ из АДФ и неорганического фосфата (скорость процесса дыхания) легко регулируется в соответствии с потребностями.
6. АТФ синтезируется во время дыхания за счет химической энергии, высвобождаемой при окислении таких органических веществ, как глюкоза, и во время фотосинтеза — за счет солнечной энергии. Образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата называют реакцией фос-форилирования. Если энергию для фос-форилирования поставляет окисление, то говорят об окислительном фосфорилиро-вании (этот процесс протекает при дыхании), если же для фосфорилирования используется световая энергия, то процесс называют фотофосфорилированием (это имеет место при фотосинтезе).

Важнейшим веществом в клетках живых организмов является аденозинтрифосфорная кислота или аденозинтрифосфат. Если ввести аббревиатуру этого названия, то получим АТФ (англ. ATP). Это вещество относится к группе нуклеозидтрифосфатов и играет ведущую роль в процессах метаболизма в живых клетках, являясь для них незаменимым источником энергии.

Вконтакте

Первооткрывателями АТФ стали учёные-биохимики гарвардской школы тропической медицины — Йеллапрагада Суббарао, Карл Ломан и Сайрус Фиске. Открытие произошло в 1929 году и стало главной вехой в биологии живых систем. Позднее, в 1941 году, немецким биохимиком Фрицем Липманом было установлено, что АТФ в клетках является основным переносчиком энергии.

Строение АТФ

Эта молекула имеет систематическое наименование, которое записывается так: 9-β-D-рибофуранозиладенин-5′-трифосфат, или 9-β-D-рибофуранозил-6-амино-пурин-5′-трифосфат. Какие соединения входят в состав АТФ? Химически она представляет собой трифосфорный эфир аденозина — производного аденина и рибозы . Это вещество образуется путём соединения аденина, являющегося пуриновым азотистым основанием, с 1′-углеродом рибозы при помощи β-N-гликозидной связи. К 5′-углероду рибозы затем последовательно присоединяются α-, β- и γ-молекулы фосфорной кислоты.

Таким образом, молекула АТФ содержит такие соединения, как аденин, рибозу и три остатка фосфорной кислоты. АТФ — это особое соединение, содержащее связи, при которых высвобождается большое количество энергии. Такие связи и вещества называются макроэргическими. Во время гидролиза этих связей молекулы АТФ происходит выделение количества энергии от 40 до 60 кДж/моль, при этом данный процесс сопровождается отщеплением одного или двух остатков фосфорной кислоты.

Вот как записываются эти химические реакции :

• 1). АТФ + вода→АДФ + фосфорная кислота + энергия;
• 2). АДФ + вода→АМФ + фосфорная кислота + энергия.

Энергия, высвобожденная в ходе указанных реакций, используется в дальнейших биохимических процессах, требующих определённых энергозатрат.

Роль АТФ в живом организме. Её функции

Какую функцию выполняет АТФ? Прежде всего, энергетическую. Как уже было выше сказано, основной ролью аденозинтрифосфата является энергообеспечение биохимических процессов в живом организме. Такая роль обусловлена тем, что благодаря наличию двух высокоэнергетических связей, АТФ выступает источником энергии для многих физиологических и биохимических процессов, требующих больших энергозатрат. Такими процессами являются все реакции синтеза сложных веществ в организме. Это, прежде всего, активный перенос молекул через клеточные мембраны, включая участие в создании межмембранного электрического потенциала, и осуществление сокращения мышц.

Кроме указанной, перечислим ещё несколько, не менее важных, функций АТФ , таких, как:

Как образуется АТФ в организме?

Синтез аденозинтрифосфорной кислоты идёт постоянно , т. к. энергия организму для нормальной жизнедеятельности нужна всегда. В каждый конкретный момент содержится совсем немного этого вещества — примерно 250 граммов, которые являются «неприкосновенным запасом» на «чёрный день». Во время болезни идёт интенсивный синтез этой кислоты, потому что требуется много энергии для работы иммунной и выделительной систем, а также системы терморегуляции организма, что необходимо для эффективной борьбы с начавшимся недугом.

В каких клетках АТФ больше всего? Это клетки мышечной и нервной тканей, поскольку в них наиболее интенсивно идут процессы энергообмена. И это очевидно, ведь мышцы участвуют в движении, требующем сокращения мышечных волокон, а нейроны передают электрические импульсы, без которых невозможна работа всех систем организма. Поэтому так важно для клетки поддерживать неизменный и высокий уровень аденозинтрифосфата.

Каким же образом в организме могут образовываться молекулы аденозинтрифосфата? Они образуются путём так называемого фосфорилирования АДФ (аденозиндифосфата) . Эта химическая реакция выглядит следующим образом:

АДФ + фосфорная кислота + энергия→АТФ + вода.

Фосфорилирование же АДФ происходит при участии таких катализаторов, как ферменты и свет, и осуществляется одним из трёх способов:

Как окислительное, так и субстратное фосфорилирование использует энергию веществ, окисляющихся в процессе такого синтеза.

Вывод

Аденозинтрифосфорная кислота — это наиболее часто обновляемое вещество в организме. Сколько в среднем живёт молекула аденозинтрифосфата? В теле человека, например, продолжительность её жизни составляет менее одной минуты, поэтому одна молекула такого вещества рождается и распадается до 3000 раз за сутки. Поразительно, но в течение дня человеческий организм синтезирует около 40 кг этого вещества! Настолько велики потребности в этом «внутреннем энергетике» для нас!

Весь цикл синтеза и дальнейшего использования АТФ в качестве энергетического топлива для процессов обмена веществ в организме живого существа представляет собой саму суть энергетического обмена в этом организме. Таким образом, аденозинтрифосфат является своего рода «батарейкой», обеспечивающей нормальную жизнедеятельность всех клеток живого организма.

В биологии АТФ — это источник энергии и основа жизни. АТФ — аденозинтрифосфат — участвует в процессах метаболизма и регулирует биохимические реакции в организме.

Что это?

Понять, что такое АТФ, поможет химия. Химическая формула молекулы АТФ — C10h26N5O13P3. Запомнить полное название несложно, если разбить его на составные части. Аденозинтрифосфат или аденозинтрифосфорная кислота — нуклеотид, состоящий из трёх частей:

• аденина — пуринового азотистого основания;
• рибозы — моносахарида, относящегося к пентозам;
• трёх остатков фосфорной кислоты.

Рис. 1. Строение молекулы АТФ.

Более подробная расшифровка АТФ представлена в таблице.

АТФ впервые обнаружили гарвардские биохимики Суббарао, Ломан, Фиске в 1929 году. В 1941 году немецкий биохимик Фриц Липман установил, что АТФ является источником энергии живого организма.

Образование энергии

Фосфатные группы соединены между собой высокоэнергетическими связями, которые легко разрушаются. При гидролизе (взаимодействии с водой) связи фосфатной группы распадаются, высвобождая большое количество энергии, а АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту).

Условно химическая реакция выглядит следующим образом:

ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой

АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4 + энергия

Рис. 2. Гидролиз АТФ.

Часть высвободившейся энергии (около 40 кДж/моль) участвует в анаболизме (ассимиляции, пластическом обмене), часть — рассеивается в виде тепла для поддержания температуры тела. При дальнейшем гидролизе АДФ отщепляется ещё одна фосфатная группа с высвобождением энергии и образованием АМФ (аденозин-монофосфата). АМФ гидролизу не подвергается.

Синтез АТФ

АТФ располагается в цитоплазме, ядре, хлоропластах, в митохондриях. Синтез АТФ в животной клетке происходит в митохондриях, а в растительной — в митохондриях и хлоропластах.

АТФ образуется из АДФ и фосфата с затратой энергии. Такой процесс называется фосфорилированием:

АДФ + Н3РО4 + энергия → АТФ + Н2О

Рис. 3. Образование АТФ из АДФ.

В растительных клетках фосфорилирование происходит при фотосинтезе и называется фотофосфорилированием. У животных процесс протекает при дыхании и называется окислительным фосфорилированием.

В животных клетках синтез АТФ происходит в процессе катаболизма (диссимиляции, энергетического обмена) при расщеплении белков, жиров, углеводов.

Функции

Из определения АТФ понятно, что эта молекула способна давать энергию. Помимо энергетической аденозинтрифосфорная кислота выполняет другие функции:

• является материалом для синтеза нуклеиновых кислот;
• является частью ферментов и регулирует химические процессы, ускоряя или замедляя их протекание;
• является медиатором — передаёт сигнал синапсам (местам контакта двух клеточных мембран).

Что мы узнали?

Из урока биологии 10 класса узнали о строении и функциях АТФ — аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ состоит из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты. При гидролизе фосфатные связи разрушаются, что высвобождает энергию, необходимую для жизнедеятельности организмов.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 621.

В любой клетке нашего организма протекают миллионы биохимических реакций. Они катализируются множеством ферментов, которые зачастую требуют затрат энергии. Где же клетка ее берет? На этот вопрос можно ответить, если рассмотреть строение молекулы АТФ — одного из основных источников энергии.

АТФ — универсальный источник энергии

АТФ расшифровывается как аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфорная кислота. Вещество является одним из двух наиболее важных источников энергии в любой клетке. Строение АТФ и биологическая роль тесно связаны. Большинство биохимических реакций может протекать только при участии молекул вещества, особенно это касается Однако АТФ редко непосредственно участвует в реакции: для протекания любого процесса нужна энергия, заключенная именно в аденозинтрифосфата.

Строение молекул вещества таково, что образующиеся связи между фосфатными группами несут огромное количество энергии. Поэтому такие связи также называются макроэргическими, или макроэнергетическими (макро=много, большое количество). Термин впервые ввел ученый Ф. Липман, и он же предложил использовать значок ̴ для их обозначения.

Очень важно для клетки поддерживать постоянный уровень содержания аденозинтрифосфата. Особенно это характерно для клеток мышечной ткани и нервных волокон, потому что они наиболее энергозависимы и для выполнения своих функций нуждаются в высоком содержании аденозинтрифосфата.

Строение молекулы АТФ

Аденозинтрифосфат состоит из трех элементов: рибозы, аденина и остатков

Рибоза — углевод, который относится к группе пентоз. Это значит, что в составе рибозы 5 атомов углерода, которые заключены в цикл. Рибоза соединяется с аденином β-N-гликозидной связь на 1-ом атоме углерода. Также к пентозе присоединяются остатки фосфорной кислоты на 5-ом атоме углерода.

Аденин — азотистое основание. В зависимости от того, какое азотистое основание присоединяется к рибозе, выделяют также ГТФ (гуанозинтрифосфат), ТТФ (тимидинтрифосфат), ЦТФ (цитидинтрифосфат) и УТФ (уридинтрифосфат). Все эти вещества схожи по строению с аденозинтрифосфатом и выполняют примерно такие же функции, однако они встречаются в клетке намного реже.

Остатки фосфорной кислоты . К рибозе может присоединиться максимально три остатка фосфорной кислоты. Если их два или только один, то соответственно вещество называется АДФ (дифосфат) или АМФ (монофосфат). Именно между фосфорными остатками заключены макроэнергетические связи, после разрыва которых высвобождается от 40 до 60 кДж энергии. Если разрываются две связи, выделяется 80, реже — 120 кДж энергии. При разрыве связи между рибозой и фосфорным остатком выделяется всего лишь 13,8 кДж, поэтому в молекуле трифосфата только две макроэргические связи (Р ̴ Р ̴ Р), а в молекуле АДФ — одна (Р ̴ Р).

Вот каковы особенности строения АТФ. По причине того, что между остатками фосфорной кислоты образуется макроэнергетическая связь, строение и функции АТФ связаны между собой.

Строение АТФ и биологическая роль молекулы. Дополнительные функции аденозинтрифосфата

Кроме энергетической, АТФ может выполнять множество других функций в клетке. Наряду с другими нуклеотидтрифосфатами трифосфат участвует в построении нуклеиновый кислот. В этом случае АТФ, ГТФ, ТТФ, ЦТФ и УТФ являются поставщиками азотистых оснований. Это свойство используется в процессах и транскрипции.

Также АТФ необходим для работы ионных каналов. Например, Na-K канал выкачивает 3 молекулы натрия из клетки и вкачивает 2 молекулы калия в клетку. Такой ток ионов нужен для поддержания положительного заряда на наружной поверхности мембраны, и только с помощью аденозинтрифосфата канал может функционировать. То же касается протонных и кальциевых каналов.

АТФ является предшественником вторичного мессенжера цАМФ (циклический аденозинмонофосфат) — цАМФ не только передает сигнал, полученный рецепторами мембраны клетки, но и является аллостерическим эффектором. Аллостерические эффекторы — это вещества, которые ускоряют или замедляют ферментативные реакции. Так, циклический аденозинтрифосфат ингибирует синтез фермента, который катализирует расщепление лактозы в клетках бактерии.

Сама молекула аденозинтрифосфата также может быть аллостерическим эффектором. Причем в подобных процессах антагонистом АТФ выступает АДФ: если трифосфат ускоряет реакцию, то дифосфат затормаживает, и наоборот. Таковы функции и строение АТФ.

Как образуется АТФ в клетке

Функции и строение АТФ таковы, что молекулы вещества быстро используются и разрушаются. Поэтому синтез трифосфата — это важный процесс образования энергии в клетке.

Выделяют три наиболее важных способа синтеза аденозинтрифосфата:

1. Субстратное фосфорилирование.

2. Окислительное фосфорилирование.

3. Фотофосфорилирование.

Субстратное фосфорилирование основано на множественных реакциях, протекающих в цитоплазме клетки. Эти реакции получили название гликолиза — анаэробный этап В результате 1 цикла гликолиза из 1 молекулы глюкозы синтезируется две молекулы которые дальше используются для получения энергии, и также синтезируются два АТФ.

• С 6 Н 12 О 6 + 2АДФ + 2Фн —> 2С 3 Н 4 O 3 + 2АТФ + 4Н.

Дыхание клетки

Окислительное фосфорилирование — это образование аденозинтрифосфата путем передачи электронов по электронно-транспортной цепи мембраны. В результате такой передачи формируется градиент протонов на одной из сторон мембраны и с помощью белкового интегрального комплекта АТФ-синтазы идет построение молекул. Процесс протекает на мембране митохондрий.

Последовательность стадий гликолиза и окислительного фосфорилирования в митохондриях составляет общий процесс под названием дыхание. После полного цикла из 1 молекулы глюкозы в клетке образуется 36 молекул АТФ.

Фотофосфорилирование

Процесс фотофосфорилирования — это то же окислительное фосфорилирование лишь с одним отличием: реакции фотофосфорилирования протекают в хлоропластах клетки под действием света. АТФ образуется во время световой стадии фотосинтеза — основного процесса получения энергии у зеленых растений, водорослей и некоторых бактерий.

В процессе фотосинтеза все по той же электронно-транспортной цепи проходят электроны, в результате чего формируется протонный градиент. Концентрация протонов на одной из сторон мембраны является источником синтеза АТФ. Сборка молекул осуществляется посредством фермента АТФ-синтазы.

В среднестатистической клетке содержится 0,04% аденозинтрифосфата от всей массы. Однако самое большое значение наблюдается в мышечных клетках: 0,2-0,5%.

В клетке около 1 млрд молекул АТФ.

Каждая молекула живет не больше 1 минуты.

Одна молекула аденозинтрифосфата обновляется в день 2000-3000 раз.

В сумме за сутки организм человека синтезирует 40 кг аденозинтрифосфата, и в каждый момент времени запас АТФ составляет 250 г.

Заключение

Строение АТФ и биологическая роль его молекул тесно связаны. Вещество играет ключевую роль в процессах жизнедеятельности, ведь в макроэргических связях между фосфатными остатками содержится огромное количество энергии. Аденозинтрифосфат выполняет множество функций в клетке, и поэтому важно поддерживать постоянную концентрацию вещества. Распад и синтез идут с большой скоростью, т. к. энергия связей постоянно используется в биохимических реакциях. Это незаменимое вещество любой клетки организма. Вот, пожалуй, и все, что можно сказать о том, какое строение имеет АТФ.

В основе всех живых процессов лежит атомно-молекулярное движение. Как дыхательный процесс, так и клеточное развитие, деление невозможны без энергии. Источником энергетического снабжения является АТФ, что это такое и как образуется рассмотрим далее.

Перед изучением понятия АТФ необходима его расшифровка. Данный термин означает нуклеозидтрифосфат, который существенно значим для энергетического и вещественного обмена в составе организма.

Это уникальный энергетический источник, лежащий в основе биохимических процессов. Данное соединение является основополагающим для ферментативного образования.

АТФ был открыт в Гарварде в 1929 году. Основоположниками стали ученые Гарвардской медицинской школы. В их число вошли Карл Ломан, Сайрус Фиске и Йеллапрагада Суббарао. Они выявили соединение, которое по строению напоминало адениловый нуклеотид рибонуклеиновых кислот.

Отличительной особенностью соединения было содержание трех остатков фосфорной кислоты вместо одного. В 1941 году ученый Фриц Липман доказал, что АТФ имеет энергетический потенциал в пределах клетки. Впоследствии был обнаружен ключевой фермент, который получил название АТФ-синтаза. Его задача – образование в митохондриях кислотных молекул.

АТФ – это энергетический аккумулятор в клеточной биологии, является обязательным для успешного осуществления биохимических реакций.

Биология аденозинтрифосфорной кислоты предполагает ее образование в результате энергетического обмена. Процесс состоит из создания 2 молекул на второй стадии. Остальные 36 молекул появляются на третьем этапе.

Скопление энергии в структуре кислоты происходит в связующей части между остатками фосфора. В случае отсоединения 1 фосфорного остатка происходит энергетическое выделение 40 кДж.

В результате кислота превращается в аденозиндифосфат (АДФ). Последующее фосфатное отсоединение способствует появлению аденозинмонофосфата (АМФ).

Следует отметить, цикл растений предусматривает повторное использование АМФ и АДФ, в результате которого происходит восстановление этих соединений до состояния кислоты. Это обеспечивается процессом .

Строение

Раскрытие сущности соединения возможно после изучения того, какие соединения входят в состав молекулы АТФ.

Какие соединения входят в состав кислоты:

• 3 остатка фосфорной кислоты. Кислотные остатки объединяются друг с другом посредством энергетических связей неустойчивого характера. Встречается также под названием ортофосфорной кислоты;
• аденин: Является азотистым основанием;
• рибоза: Представляет собой пентозный углевод.

Вхождение в состав АТФ данных элементов присваивает ей нуклеотидное строение. Это позволяет относить молекулу к категории нуклеиновых кислот.

Важно! В результате отщепления кислотных молекул происходит высвобождение энергии. Молекула АТФ содержит 40 кДж энергии.

Образование

Формирование молекулы происходит в митохондриях и хлоропластах. Основополагающий момент в молекулярном синтезе кислоты – диссимиляционный процесс. Диссимиляция – процесс перехода сложного соединения до относительно простого за счет разрушения.

В рамках синтеза кислоты принято выделять несколько стадий:

1. Подготовительная. Основа расщепления – пищеварительный процесс, обеспечивается за счет ферментативного действия. Распаду подвергается пища, попавшая в организм. Происходит жировое разложение до жирных кислот и глицерина. Белки распадаются до аминокислот, крахмал – до образования глюкозы. Этап сопровождается выделением энергии теплового характера.
2. Бескислородная, или гликолиз. В основе лежит процесс распада. Происходит глюкозное расщепление с участием ферментов, при этом 60% выделяемой энергии превращается в тепло, остальная часть остается в составе молекулы.
3. Кислородная, или гидролиз; Осуществляется внутри митохондрий. Происходит с помощью кислорода и ферментов. Участвует выдыхаемый организмом кислород. Завершается полной . Подразумевает энергетическое выделение для формирования молекулы.

Существуют следующие пути молекулярного образования:

1. Фосфорилирование субстратного характера. Основано на энергии веществ в результате окисления. Превалирующая часть молекулы формируется в митохондриях на мембранах. Осуществляется без участия ферментов мембраны. Совершается в цитоплазматической части посредством гликолиза. Допускается вариант образования за счет транспортировки фосфатной группы с иных макроэргических соединений.
2. Фосфорилирование окислительного характера. Происходит за счет окислительной реакции.
3. Фотофосфорилирование у растений в ходе фотосинтеза.

Значение

Основополагающее значение молекулы для организма раскрывается через то, какую функцию выполняет АТФ.

Функционал АТФ включает следующие категории:

1. Энергетическую. Обеспечивает организм энергией, является энергетической основой физиологических биохимических процессов и реакций. Происходит за счет 2 высокоэнергетических связей. Подразумевает мышечное сокращение, формирование трансмембранного потенциала, обеспечение молекулярного переноса сквозь мембраны.
2. Основу синтеза. Считается исходным соединением для последующего образования нуклеиновых кислот.
3. Регулятивную. Лежит в основе регуляции большинства процессов биохимического характера. Обеспечивается за счет принадлежности к аллостерическому эффектору ферментативного ряда. Воздействует на активность регуляторных центров путем их усиления или подавления.
4. Посредническую. Считается вторичным звеном в передаче гормонального сигнала в клетку. Является предшественником образования циклического АДФ.
5. Медиаторную. Является сигнальным веществом в синапсах и иных взаимодействиях клеточного характера. Обеспечивается пуринергическая сигнальная передача.

Среди вышеперечисленных моментов главенствующее место отводится энергетической функции АТФ.

Важно понимать , независимо от того, какую функцию выполняет АТФ, ее значение универсально.

Полезное видео

Подведем итоги

В основе физиологических и биохимических процессов лежит существование молекулы АТФ. Основная задача соединений – энергетическое обеспечение. Без соединения невозможна жизнедеятельность как растений, так и животных.

Вконтакте

Митохондрии — Клетка — Книжная полка NCBI

Митохондрии играют решающую роль в выработке метаболической энергии в эукариотических клетках. Как было сказано в главе 2, они отвечают за большую часть полезной энергии, получаемой при расщеплении углеводов и жирных кислот, которая превращается в АТФ в процессе окислительного фосфорилирования. Большинство митохондриальных белков транслируются на свободных цитозольных рибосомах и импортируются в органеллы с помощью специфических сигналов нацеливания. Кроме того, митохондрии уникальны среди уже обсужденных цитоплазматических органелл тем, что они содержат собственную ДНК, которая кодирует тРНК, рРНК и некоторые митохондриальные белки.Таким образом, сборка митохондрий включает белки, кодируемые их собственными геномами и транслируемые внутри органеллы, а также белки, кодируемые ядерным геномом и импортируемые из цитозоля.

Организация и функция митохондрий

Митохондрии окружены двойной мембранной системой, состоящей из внутренней и внешней митохондриальных мембран, разделенных межмембранным пространством (). Внутренняя мембрана образует многочисленные складки ( крист, ), которые простираются внутрь (или в матрикс) органеллы.Каждый из этих компонентов играет разные функциональные роли, при этом матрица и внутренняя мембрана представляют собой основные рабочие компартменты митохондрий.

Рисунок 10.1

Структура митохондрии. Митохондрии ограничены системой двойной мембраны, состоящей из внутренней и внешней мембран. Складки внутренней мембраны (кристы) заходят в матрикс. (Микрофотография К. Р. Портера / Photo Researchers, Inc.)

Матрица содержит митохондриальную генетическую систему, а также ферменты, ответственные за центральные реакции окислительного метаболизма ().Как обсуждалось в главе 2, окислительное расщепление глюкозы и жирных кислот является основным источником метаболической энергии в клетках животных. Начальные стадии метаболизма глюкозы (гликолиза) происходят в цитозоле, где глюкоза превращается в пируват (см.). Затем пируват транспортируется в митохондрии, где его полное окисление до CO ₂ дает основную часть полезной энергии (АТФ), получаемой в результате метаболизма глюкозы. Это включает начальное окисление пирувата до ацетил-КоА, который затем расщепляется до CO ₂ через цикл лимонной кислоты (см. И).Окисление жирных кислот также дает ацетил-КоА (см.), Который аналогичным образом метаболизируется циклом лимонной кислоты в митохондриях. Таким образом, ферменты цикла лимонной кислоты (расположенные в матрице митохондрий) играют центральную роль в окислительном расщеплении углеводов и жирных кислот.

Рисунок 10.2

Метаболизм в матриксе митохондрий. Пируват и жирные кислоты импортируются из цитозоля и превращаются в ацетил-КоА в матриксе митохондрий. Затем ацетил-КоА окисляется до CO ₂ через цикл лимонной кислоты, центральный путь окислительного метаболизма.(подробнее …)

Окисление ацетил-КоА до CO ₂ связано с восстановлением NAD ⁺ и FAD до NADH и FADH ₂ соответственно. Большая часть энергии, полученной в результате окислительного метаболизма, затем вырабатывается процессом окислительного фосфорилирования (подробно обсуждается в следующем разделе), который происходит во внутренней митохондриальной мембране. Электроны высокой энергии от NADH и FADH ₂ передаются через ряд переносчиков в мембране молекулярному кислороду.Энергия, полученная в результате этих реакций переноса электрона, преобразуется в потенциальную энергию, запасенную в градиенте протонов через мембрану, которая затем используется для управления синтезом АТФ. Таким образом, внутренняя митохондриальная мембрана представляет собой главное место генерации АТФ, и эта критическая роль отражается в ее структуре. Во-первых, его поверхность существенно увеличивается за счет складывания в кристы. Кроме того, внутренняя митохондриальная мембрана содержит необычно высокий процент (более 70%) белков, которые участвуют в окислительном фосфорилировании, а также в транспорте метаболитов (например,g., пируват и жирные кислоты) между цитозолем и митохондриями. В противном случае внутренняя мембрана непроницаема для большинства ионов и небольших молекул — свойство, имеющее решающее значение для поддержания протонного градиента, который управляет окислительным фосфорилированием.

В отличие от внутренней мембраны, внешняя мембрана митохондрий свободно проницаема для небольших молекул. Это потому, что он содержит белки, называемые поринами , которые образуют каналы, которые обеспечивают свободную диффузию молекул размером менее 6000 дальтон.Таким образом, состав межмембранного пространства аналогичен цитозолю в отношении ионов и небольших молекул. Следовательно, внутренняя митохондриальная мембрана является функциональным барьером для прохождения небольших молекул между цитозолем и матрицей и поддерживает протонный градиент, который управляет окислительным фосфорилированием.

Генетическая система митохондрий

Митохондрии содержат свою собственную генетическую систему, которая отделена от ядерного генома клетки.Как было сказано в главе 1, считается, что митохондрии произошли от бактерий, которые развили симбиотические отношения, в которых они жили в более крупных клетках (эндосимбиоз). Эта гипотеза недавно была подтверждена результатами анализа последовательности ДНК, который выявил поразительное сходство между геномами митохондрий и бактерии Rickettsia prowazekii . Риккетсии — это внутриклеточные паразиты, которые, как и митохондрии, способны воспроизводиться только внутри эукариотических клеток.В соответствии с их сходным симбиотическим образом жизни, последовательности геномной ДНК Rickettsia и митохондрий предполагают, что они имеют общего предка, от которого произошла генетическая система современных митохондрий.

Митохондриальные геномы обычно представляют собой кольцевые молекулы ДНК, как у бактерий, которые присутствуют в нескольких копиях на органеллу. Они значительно различаются по размеру у разных видов. Геномы митохондрий человека и большинства других животных составляют всего около 16 т.п.н., но значительно более крупные митохондриальные геномы обнаружены у дрожжей (примерно 80 т.п.н.) и растений (более 200 т.п.н.).Однако эти более крупные митохондриальные геномы состоят преимущественно из некодирующих последовательностей и, по-видимому, не содержат значительно больше генетической информации. Например, самый большой секвенированный митохондриальный геном — это растение Arabidopsis thaliana . Хотя размер митохондриальной ДНК Arabidopsis составляет примерно 367 т.п.н., она кодирует только 32 белка: чуть более чем в два раза больше, чем кодируется митохондриальной ДНК человека. Наибольшее количество митохондриальных генов обнаружено в митохондриальной ДНК простейшего Reclinomonas americana , что составляет 69 т.п.н. и содержит 97 генов.Митохондриальный геном Reclinomonas , по-видимому, больше напоминает бактериальный геном, из которого произошли митохондрии, чем большинство современных митохондриальных геномов, которые кодируют лишь небольшое количество белков, которые являются важными компонентами системы окислительного фосфорилирования. Кроме того, митохондриальные геномы кодируют все рибосомные РНК и большинство транспортных РНК, необходимых для трансляции этих кодирующих белок последовательностей в митохондриях. Другие митохондриальные белки кодируются ядерными генами, которые, как считается, были перенесены в ядро ​​из митохондриального генома предков.

Митохондриальный геном человека кодирует 13 белков, участвующих в транспорте электронов и окислительном фосфорилировании (). Кроме того, митохондриальная ДНК человека кодирует 16S и 12S рРНК и 22 тРНК, которые необходимы для трансляции белков, кодируемых геномом органелл. Две рРНК являются единственными компонентами РНК митохондриальных рибосом животных и дрожжей, в отличие от трех рРНК бактериальных рибосом (23S, 16S и 5S). Однако митохондриальные ДНК растений также кодируют третью рРНК 5S.Митохондрии растений и простейших также различаются импортом и использованием тРНК, кодируемых ядерным, а также митохондриальным геномом, тогда как в митохондриях животных все тРНК кодируются органеллами.

Рисунок 10.3

Митохондриальный геном человека. Геном содержит 13 протеинкодирующих последовательностей, которые обозначены как компоненты респираторных комплексов I, III, IV или V. Кроме того, геном содержит гены для 12S и 16S рРНК и 22 тРНК, которые обозначены (подробнее…)

Небольшое количество тРНК, кодируемых митохондриальным геномом, подчеркивает важную особенность митохондриальной генетической системы — использование немного другого генетического кода, который отличается от «универсального» генетического кода, используемого как прокариотами, так и эукариотами. ячейки (). Как обсуждалось в главе 3, существует 64 возможных триплетных кодона, из которых 61 кодирует 20 различных аминокислот, включенных в белки (см. Таблицу 3.1). Многие тРНК как в прокариотических, так и в эукариотических клетках способны распознавать более одного кодона в мРНК из-за «колебания», которое допускает некоторую ошибку спаривания между антикодоном тРНК и третьим положением некоторых дополнительных кодонов (см.).Однако для трансляции универсального кода в соответствии с правилами колебания требуется не менее 30 различных тРНК. Однако митохондриальная ДНК человека кодирует только 22 вида тРНК, и это единственные тРНК, используемые для трансляции митохондриальных мРНК. Это достигается за счет крайней формы колебания, при которой U в антикодоне тРНК может спариваться с любым из четырех оснований в положении третьего кодона мРНК, позволяя распознавать четыре кодона одной тРНК. Кроме того, некоторые кодоны определяют аминокислоты в митохондриях, отличные от универсального кода.

Таблица 10.1

Различия между универсальным и митохондриальным генетическими кодами.

Подобно ДНК ядерных геномов, митохондриальная ДНК может быть изменена мутациями, которые часто вредны для органелл. Поскольку почти все митохондрии оплодотворенных яйцеклеток создаются ооцитами, а не сперматозоидами, мутации зародышевой линии в митохондриальной ДНК передаются следующему поколению от матери. Такие мутации были связаны с рядом заболеваний.Например, наследственная оптическая нейропатия Лебера, заболевание, приводящее к слепоте, может быть вызвана мутациями в митохондриальных генах, которые кодируют компоненты цепи переноса электронов. Кроме того, предполагается, что прогрессирующее накопление мутаций в митохондриальной ДНК в течение жизни людей способствует процессу старения.

Импорт белка и сборка митохондрий

В отличие от РНК-компонентов аппарата трансляции митохондрий (рРНК и тРНК), большинство митохондриальных геномов не кодируют белки, необходимые для репликации, транскрипции или трансляции ДНК.Вместо этого гены, кодирующие белки, необходимые для репликации и экспрессии митохондриальной ДНК, содержатся в ядре. Кроме того, ядро ​​содержит гены, кодирующие большую часть митохондриальных белков, необходимых для окислительного фосфорилирования, и все ферменты, участвующие в метаболизме митохондрий (например, ферменты цикла лимонной кислоты). Белки, кодируемые этими генами (более 95% митохондриальных белков), синтезируются на свободных цитозольных рибосомах и импортируются в митохондрии в виде завершенных полипептидных цепей.Из-за двойной мембранной структуры митохондрий импорт белков значительно сложнее, чем перенос полипептида через единственный фосфолипидный бислой. Белки, нацеленные на матрикс, должны пересекать как внутреннюю, так и внешнюю митохондриальные мембраны, в то время как другие белки должны быть отсортированы в отдельные компартменты внутри органеллы (например, межмембранное пространство).

Импорт белков в матрицу является наиболее понятным аспектом сортировки митохондриальных белков ().Большинство белков направляются в митохондрии с помощью амино-концевых последовательностей из 20–35 аминокислот (называемых пре-последовательностями ), которые удаляются протеолитическим расщеплением после их импорта в органеллы. Последовательности митохондриальных белков, впервые охарактеризованные Готфридом Шацем, содержат несколько положительно заряженных аминокислотных остатков, обычно в амфипатической α-спирали. Первым шагом в импорте белка является связывание этих пре-последовательностей с рецепторами на поверхности митохондрий.Затем полипептидные цепи вставляются в белковый комплекс, который направляет транслокацию через внешнюю мембрану (транслоказа внешней мембраны или комплекс Tom). Затем белки переносятся на второй белковый комплекс внутренней мембраны (транслоказа внутренней мембраны или комплекс Tim). Для продолжения транслокации белков необходим электрохимический потенциал, установленный на внутренней митохондриальной мембране во время транспорта электронов. Как обсуждается в следующем разделе этой главы, перенос высокоэнергетических электронов от NADH и FADH ₂ к молекулярному кислороду связан с переносом протонов из митохондриального матрикса в межмембранное пространство.Поскольку протоны являются заряженными частицами, этот перенос устанавливает электрический потенциал на внутренней мембране, при этом матрица является отрицательной. Во время импорта белка этот электрический потенциал управляет перемещением положительно заряженной предследовательности.

Рисунок 10.4

Импорт белков в митохондрии. Белки нацелены на митохондрии с помощью амино-концевой предследовательности, содержащей положительно заряженные аминокислоты. Белки поддерживаются в частично развернутом состоянии за счет ассоциации с цитозольным Hsp70 и (более…)

Чтобы перемещаться через митохондриальную мембрану, белки должны быть хотя бы частично развернуты. Следовательно, импорт белка в митохондрии требует молекулярных шаперонов в дополнение к мембранным белкам, участвующим в транслокации (см.). На цитозольной стороне члены семейства шаперонов Hsp70 поддерживают белки в частично развернутом состоянии, так что они могут быть вставлены в митохондриальную мембрану. Когда они пересекают внутреннюю мембрану, развернутые полипептидные цепи связываются с другим членом семейства Hsp70, который связан с комплексом Tim и действует как двигатель, который управляет импортом белка.Затем полипептид переносится на шаперон семейства Hsp60 (шаперонин), внутри которого происходит сворачивание белка. Поскольку эти взаимодействия полипептидных цепей с молекулярными шаперонами зависят от АТФ, для импорта белка требуется АТФ как снаружи, так и внутри митохондрий, в дополнение к электрическому потенциалу через внутреннюю мембрану.

Как отмечалось выше, некоторые митохондриальные белки нацелены на внешнюю мембрану, внутреннюю мембрану или межмембранное пространство, а не на матрикс, поэтому необходимы дополнительные механизмы, чтобы направить эти белки в правильный субмитохондриальный компартмент.Эти белки направляются к месту назначения с помощью второго сигнала сортировки, следующего за положительно заряженной предследовательностью, которая направляет импорт в митохондрии. Направление белков к митохондриальным мембранам, по-видимому, опосредуется гидрофобными стоп-переносчиками последовательностей, которые останавливают транслокацию полипептидных цепей через комплексы Tim или Tom, что приводит к их встраиванию во внутреннюю или внешнюю митохондриальные мембраны соответственно (2). Белки могут быть нацелены в межмембранное пространство с помощью нескольких различных механизмов ().Некоторые белки переносятся через внешнюю мембрану через комплекс Tom, но затем высвобождаются в межмембранном пространстве вместо того, чтобы переноситься в комплекс Tim. Другие белки переносятся в комплекс Tim, но затем высвобождаются в межмембранное пространство в результате расщепления гидрофобных стоп-переносящих последовательностей. Тем не менее, другие белки могут быть полностью импортированы в митохондриальный матрикс, а затем экспортированы обратно через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство.

Рисунок 10.5

Вставка белков митохондриальной мембраны. Белки, нацеленные на митохондриальные мембраны, содержат гидрофобные стоп-последовательности, которые останавливают их перемещение через комплексы Tom или Tim и приводят к их включению во внешнее или (подробнее …)

Рис. 10.6

Сортировка белков в межмембранное пространство. Белки могут быть нацелены в межмембранное пространство с помощью нескольких механизмов. Некоторые белки (I) перемещаются через комплекс Tom и высвобождаются в межмембранное пространство.Переносятся другие белки (II) (подробнее …)

Из цитозоля импортируются не только белки, но и фосфолипиды митохондриальных мембран. В клетках животных фосфатидилхолин и фосфатидилэтаноламин синтезируются в ER и переносятся в митохондрии с помощью белков-переносчиков фосфолипидов, которые извлекают отдельные молекулы фосфолипидов из мембраны ER. Затем липид может транспортироваться через водную среду цитозоля, захоронен в сайте гидрофобного связывания белка и высвобожден, когда комплекс достигает новой мембраны, такой как мембрана митохондрий.Затем митохондрии синтезируют фосфатидилсерин из фосфатидилэтаноламина в дополнение к катализированию синтеза необычного фосфолипидного кардиолипина, который содержит четыре цепи жирных кислот ().

Рисунок 10.7

Структура кардиолипина. Кардиолипин — это необычный «двойной» фосфолипид, содержащий четыре цепи жирных кислот, который находится в основном во внутренней митохондриальной мембране.

Box

Молекулярная медицина: болезни митохондрий: наследственная оптическая невропатия Лебера.

Физиология, Аденозинтрифосфат — StatPearls

Введение

Тело — сложный организм, и поэтому для поддержания его надлежащего функционирования требуется энергия. Аденозинтрифосфат (АТФ) является источником энергии для использования и хранения на клеточном уровне. Структура АТФ представляет собой нуклеозидтрифосфат, состоящий из азотистого основания (аденина), рибозного сахара и трех последовательно связанных фосфатных групп. АТФ обычно называют «энергетической валютой» клетки, поскольку он обеспечивает легко высвобождаемую энергию в связи между второй и третьей фосфатными группами.Помимо обеспечения энергией, расщепление АТФ посредством гидролиза служит широкому спектру функций клетки, включая передачу сигналов и синтез ДНК / РНК. В синтезе АТФ используется энергия, полученная из нескольких катаболических механизмов, включая клеточное дыхание, бета-окисление и кетоз.

Большая часть синтеза АТФ происходит в клеточном дыхании в митохондриальном матриксе: генерируется примерно тридцать две молекулы АТФ на молекулу окисляемой глюкозы. АТФ расходуется для получения энергии в процессах, включая перенос ионов, сокращение мышц, распространение нервных импульсов, фосфорилирование субстрата и химический синтез.Эти, как и другие процессы, создают высокий спрос на АТФ. В результате клетки человеческого тела зависят от гидролиза от 100 до 150 моль АТФ в день для обеспечения правильного функционирования. В следующих разделах АТФ будет подвергаться дальнейшей оценке своей роли как решающей молекулы в повседневном функционировании клетки.

Cellular

АТФ — прекрасная молекула для хранения энергии, которую можно использовать в качестве «валюты» из-за фосфатных групп, которые связываются через фосфодиэфирные связи.Эти связи имеют высокую энергию из-за связанных с ними электроотрицательных зарядов, оказывающих отталкивающую силу между фосфатными группами. Значительное количество энергии остается внутри фосфатно-фосфатных связей. В результате метаболических процессов АТФ гидролизуется до АДФ или далее до АМФ и свободных неорганических фосфатных групп. Процесс гидролиза АТФ до АДФ является энергетически выгодным, давая энергию Гиббса -7,3 кал / моль [1]. АТФ должен постоянно пополняться, чтобы питать постоянно работающий элемент.Обычная внутриклеточная концентрация АТФ составляет от 1 до 10 мкМ [2]. Существует множество механизмов обратной связи, чтобы гарантировать поддержание постоянного уровня АТФ в клетке. Усиление или ингибирование АТФ-синтазы является обычным регуляторным механизмом. Например, АТФ ингибирует фосфофруктокиназу-1 (PFK1) и пируваткиназу, два ключевых фермента в гликолизе, эффективно действуя как петля отрицательной обратной связи для подавления распада глюкозы при наличии достаточного клеточного АТФ.

И наоборот, АДФ и АМФ могут активировать PFK1 и пируваткиназу, способствуя синтезу АТФ во время высокой потребности в энергии.Другие системы регулируют АТФ, например, в регуляторных механизмах, участвующих в регулировании синтеза АТФ в сердце. Новые эксперименты показали, что десятисекундные всплески, называемые митохондриальными вспышками, могут нарушить выработку АТФ в сердце. Во время этих митохондриальных вспышек митохондрии выделяют активные формы кислорода и эффективно приостанавливают синтез АТФ. Подавление продукции АТФ происходит во время митохондриальных вспышек. Во время низкого спроса на энергию, когда клетки сердечной мышцы получали достаточно строительных блоков, необходимых для производства АТФ, митохондриальные вспышки наблюдались чаще.С другой стороны, когда потребность в энергии высока во время быстрого сердечного сокращения, митохондриальные вспышки происходят реже. Эти результаты свидетельствуют о том, что в периоды, когда необходимо значительное количество АТФ, митохондриальные вспышки происходят реже, что позволяет продолжать производство АТФ. И наоборот, в периоды низкой выработки энергии митохондриальные вспышки происходили более регулярно и подавляли выработку АТФ. [3]

Функция

Гидролиз АТФ обеспечивает энергию, необходимую для многих важных процессов в организмах и клетках.К ним относятся внутриклеточная передача сигналов, синтез ДНК и РНК, пуринергическая передача сигналов, синаптическая передача сигналов, активный транспорт и сокращение мышц. Эти темы не являются исчерпывающим списком, но включают некоторые из жизненно важных ролей, которые выполняет ATP.

АТФ во внутриклеточной передаче сигналов

Передача сигналов в значительной степени зависит от АТФ. АТФ может служить субстратом для киназ, самого многочисленного АТФ-связывающего белка. Когда киназа фосфорилирует белок, может активироваться сигнальный каскад, приводящий к модуляции различных внутриклеточных сигнальных путей.[4] Активность киназы жизненно важна для клетки и, следовательно, должна строго регулироваться. Присутствие иона магния помогает регулировать активность киназы. [5] Регулирование осуществляется посредством ионов магния, существующих в клетке в виде комплекса с АТФ, связанного с фосфатно-кислородными центрами. Помимо киназной активности, АТФ может действовать как повсеместный триггер высвобождения внутриклеточного мессенджера. [6] Эти посредники включают гормоны, различные ферменты, липидные медиаторы, нейротрансмиттеры, оксид азота, факторы роста и активные формы кислорода.[6] Пример использования АТФ во внутриклеточной передаче сигналов можно наблюдать в АТФ, действующем как субстрат для аденилатциклазы. Этот процесс в основном происходит в сигнальных путях рецепторов, связанных с G-белками. Связываясь с аденилатциклазой, АТФ превращается в циклический АМФ, который помогает высвобождать кальций из внутриклеточных запасов [7]. ЦАМФ выполняет и другие функции, включая вторичные мессенджеры в гормональных сигнальных каскадах, активацию протеинкиназ и регулирование функции ионных каналов.

Синтез ДНК / РНК

Синтез ДНК и РНК требует АТФ. АТФ — один из четырех нуклеотидтрифосфатных мономеров, необходимых во время синтеза РНК. В синтезе ДНК используется аналогичный механизм, за исключением того, что в синтезе ДНК АТФ сначала трансформируется путем удаления атома кислорода из сахара с образованием дезоксирибонуклеотида, дАТФ. [8]

Пуринергическая передача сигналов

Пуринергическая передача сигналов — это форма внеклеточной паракринной передачи сигналов, которая опосредуется пуриновыми нуклеотидами, включая АТФ.Этот процесс обычно влечет за собой активацию пуринергических рецепторов на клетках в непосредственной близости, тем самым передавая сигналы для регулирования внутриклеточных процессов. АТФ высвобождается из везикулярных хранилищ и регулируется IP3 и другими общими экзоцитотическими регуляторными механизмами. АТФ совместно хранится и совместно высвобождается среди нейротрансмиттеров, что дополнительно подтверждает мнение о том, что АТФ является необходимым медиатором пуринергической нейротрансмиссии как в симпатических, так и в парасимпатических нервах. АТФ может вызывать несколько пуринергических реакций, включая контроль вегетативных функций, взаимодействия нервной глии, боль и контроль тонуса сосудов.[9] [10] [11] [12]

Нейротрансмиссия

Мозг является самым большим потребителем АТФ в организме, потребляя примерно двадцать пять процентов всей доступной энергии. [13] Большое количество энергии тратится на поддержание концентрации ионов для правильной нейрональной передачи сигналов и синаптической передачи. [14] Синаптическая передача — это энергоемкий процесс. На пресинаптическом конце АТФ необходим для установления ионных градиентов, которые доставляют нейротрансмиттеры в пузырьки, и для прайминга пузырьков для высвобождения посредством экзоцитоза.[14] Нейрональная передача сигналов зависит от потенциала действия, достигающего пресинаптического конца, сигнализируя о высвобождении загруженных везикул. Этот процесс зависит от АТФ, восстанавливающего концентрацию ионов в аксоне после каждого потенциала действия, позволяя появиться другому сигналу. Активный транспорт отвечает за возврат концентраций ионов натрия и калия к базовым значениям после того, как через Na / K-АТФазу возникает потенциал действия. Во время этого процесса одна молекула АТФ гидролизуется, три иона натрия транспортируются из клетки, а два иона калия транспортируются обратно в клетку, причем оба они движутся против своих градиентов концентрации.

Потенциалы действия, движущиеся вниз по аксону, инициируют высвобождение везикул при достижении пресинаптического терминала. После установления ионных градиентов потенциалы действия затем распространяются вниз по аксону через деполяризацию аксона, посылая сигнал к терминалу. Приблизительно один миллиард ионов натрия необходим для распространения единственного потенциала действия. Нейронам необходимо будет гидролизовать почти один миллиард молекул АТФ, чтобы восстановить концентрацию ионов натрия / калия после каждой деполяризации клетки.[13] Возбуждающие синапсы в основном доминируют в сером веществе мозга. Везикулы, содержащие глутамат, будут выпущены в синаптическую щель для активации постсинаптических возбуждающих глутаминергических рецепторов. Загрузка этих молекул требует большого количества АТФ из-за того, что почти четыре тысячи молекул глутамата хранятся в одной везикуле. [13] Значительные запасы энергии необходимы, чтобы инициировать высвобождение везикулы, управлять глутаматергическими постсинаптическими процессами и рециркулировать везикулу, а также оставшийся глутамат.[13] Таким образом, из-за большого количества энергии, необходимой для упаковки глутамата, митохондрии близки к глутаматергическим пузырькам. [15]

АТФ в сокращении мышц

Сокращение мышц является необходимой функцией повседневной жизни и не может происходить без АТФ. В сокращении мышц АТФ выполняет три основные роли. Первый — это создание силы против прилегающих актиновых нитей через циклическое движение миозиновых поперечных мостиков.Второй — перекачка ионов кальция из миоплазмы через саркоплазматический ретикулум против градиентов их концентрации с использованием активного транспорта. Третья функция, выполняемая АТФ, — это активный транспорт ионов натрия и калия через сарколемму, так что ионы кальция могут высвобождаться при получении входных данных. Гидролиз АТФ управляет каждым из этих процессов. [16]

Механизм

Многие процессы способны производить АТФ в организме в зависимости от текущих метаболических условий.Производство АТФ может происходить в присутствии кислорода в результате клеточного дыхания, бета-окисления, кетоза, катаболизма липидов и белков, а также в анаэробных условиях.

Клеточное дыхание

Клеточное дыхание — это процесс катаболизма глюкозы в ацетил-КоА с образованием высокоэнергетических носителей электронов, которые будут окисляться во время окислительного фосфорилирования с образованием АТФ. Во время гликолиза, первой стадии клеточного дыхания, одна молекула глюкозы распадается на две молекулы пирувата.Во время этого процесса два АТФ продуцируются посредством фосфорилирования субстрата ферментами PFK1 и пируваткиназой. Также происходит образование двух восстановленных молекул-переносчиков электронов НАДН. Затем молекулы пирувата окисляются комплексом пируватдегидрогеназы, образуя молекулу ацетил-КоА. Затем молекула ацетил-КоА полностью окисляется с образованием диоксида углерода и восстановленных переносчиков электронов в цикле лимонной кислоты. По завершении цикла лимонной кислоты общий выход составляет две молекулы диоксида углерода, один эквивалент АТФ, три молекулы NADH и одну молекулу FADh3.Эти высокоэнергетические переносчики электронов затем переносят электроны в цепь переноса электронов, в которой ионы водорода (протоны) переносятся против своего градиента во внутреннее мембранное пространство из митохондриальной матрицы. Затем молекулы АТФ синтезируются в виде протонов, движущихся вниз по электрохимическому градиенту мощности АТФ-синтазы. [9] Количество произведенного АТФ варьируется в зависимости от того, какой электронный носитель отдал протоны. Одна молекула НАДН производит два с половиной АТФ, тогда как одна молекула FADh3 производит полторы молекулы АТФ.[17]

Бета-окисление

Бета-окисление — еще один механизм синтеза АТФ в организмах. Во время бета-окисления цепи жирных кислот постоянно укорачиваются, давая молекулы ацетил-КоА. На протяжении каждого цикла бета-окисления жирная кислота восстанавливается на две длины углерода, образуя одну молекулу ацетил-КоА, которая может окисляться в цикле лимонной кислоты, и по одной молекуле каждого из NADH и FADh3, которые передают свою высокую энергию. электрон в транспортную цепочку.[18]

Кетоз

Кетоз — это реакция, при которой в результате катаболизма кетоновых тел выделяется АТФ. Во время кетоза кетоновые тела подвергаются катаболизму для производства энергии, генерируя двадцать две молекулы АТФ и две молекулы ГТФ на молекулу ацетоацетата, которая окисляется в митохондриях.

Анаэробное дыхание

Когда кислород недостаточен или недоступен во время клеточного дыхания, клетки могут подвергаться анаэробному дыханию. В анаэробных условиях происходит накопление молекул НАДН из-за неспособности окислять НАДН до НАД +, что ограничивает действие ГАФД и потребление глюкозы.Для поддержания гомеостатического уровня НАДН пируват восстанавливается до лактата, что приводит к окислению одной молекулы НАДН в процессе, известном как молочная ферментация. При молочной ферментации две молекулы НАДН, образовавшиеся при гликолизе, окисляются для поддержания резервуара НАД +. Эта реакция производит только две молекулы АТФ на молекулу глюкозы.

Сопутствующее тестирование

Многие методы позволяют рассчитать внутриклеточные уровни АТФ. Общепринятый протокол включает использование люциферазы светлячков, фермента, который вызывает окисление люциферина.[19] Эта реакция поддается количественному определению из-за выхода энергии этой реакции, высвобождающего фотон света, известного как биолюминесценция, который поддается количественному определению.

Клиническая значимость

Роль АТФ в контроле боли

В клинических исследованиях АТФ демонстрирует снижение острой периоперационной боли [20]. В этих исследованиях пациенты получали АТФ внутривенно. Внутривенное введение аденозина действует на рецептор аденозина A1, инициируя сигнальный каскад, который в конечном итоге способствует обезболивающему эффекту, наблюдаемому при воспалении.Исследования показали, что соединения аденозина уменьшают аллодинию и гипералгезию при введении в умеренных дозах [20]. Активация аденозинового рецептора A1 оказывает эффективное обезболивающее благодаря медленному началу и длительному действию, которое в некоторых случаях может длиться несколько недель [20].

Анестезия

Добавление АТФ дало положительные результаты во время анестезии. Данные показывают, что низкие дозы аденозина уменьшают нейропатическую боль, ишемическую боль и гипералгезию до уровня, сопоставимого с морфином.[21] Аденозин также снизил потребление опиоидов в послеоперационном периоде, что указывает на потенциальную длительную активацию аденозинового рецептора A1.

Кардиология и хирургия

Было продемонстрировано, что АТФ является безопасным и практичным легочным вазодилататором у пациентов, страдающих легочной гипертензией. [21] Точно так же аденозин и АТФ могут использоваться во время операции для индукции гипотензии у пациентов. [21]

Дополнительное образование / Контрольные вопросы

Список литературы

1.

Meurer F, Do HT, Sadowski G, Held C. Стандартная энергия Гиббса метаболических реакций: II. Глюкозо-6-фосфатазная реакция и гидролиз АТФ. Biophys Chem. 2017 Апрель; 223: 30-38. [PubMed: 28282626]

2.

Beis I, Newsholme EA. Содержание адениновых нуклеотидов, фосфагенов и некоторых гликолитических промежуточных продуктов в мышцах покоя позвоночных и беспозвоночных. Biochem J. 1975 Oct; 152 (1): 23-32. [Бесплатная статья PMC: PMC1172435] [PubMed: 1212224]

3.

Wang X, Zhang X, Wu D, Huang Z, Hou T, Jian C, Yu P, Lu F, Zhang R, Sun T, Li J , Ци В., Ван И, Гао Ф, Ченг Х.Митохондриальные вспышки регулируют гомеостаз АТФ в сердце. Элиф. 2017 10 июля; 6 [Бесплатная статья PMC: PMC5503511] [PubMed: 28692422]

4.

Мишра Н.С., Тутея Р., Тутея Н. Передача сигналов через сети MAP-киназ в растениях. Arch Biochem Biophys. 01 августа 2006 г .; 452 (1): 55-68. [PubMed: 16806044]

5.

Lin X, Айрапетов М.К., Сан Г. Характеристика взаимодействий между активным центром протеинтирозинкиназы и активатором двухвалентного металла. BMC Biochem. 2005 23 ноября; 6:25.[Бесплатная статья PMC: PMC1316873] [PubMed: 16305747]

6.

Циммерманн Х. Внеклеточный АТФ и другие нуклеотиды — повсеместные триггеры высвобождения межклеточного мессенджера. Пуринергический сигнал. 2016 Март; 12 (1): 25-57. [Бесплатная статья PMC: PMC4749530] [PubMed: 26545760]

7.

Каменецкий М., Миддельхауф С., Банк Е.М., Левин Л.Р., Бак Дж., Стигборн С. Молекулярные детали генерации цАМФ в клетках млекопитающих: история двух систем . J Mol Biol. 2006 29 сентября; 362 (4): 623-39. [Бесплатная статья PMC: PMC3662476] [PubMed: 16934836]

8.

Джойс К.М., Стейтц ТА. Полимеразные структуры и функции: вариации на тему? J Bacteriol. 1995 ноя; 177 (22): 6321-9. [Бесплатная статья PMC: PMC177480] [PubMed: 7592405]

9.

Bonora M, Patergnani S, Rimessi A, De Marchi E, Suski JM, Bononi A, Giorgi C, Marchi S, Missiroli S, Poletti F, Wieckowski MR, Пинтон П. Синтез и хранение АТФ. Пуринергический сигнал. 2012 сентябрь; 8 (3): 343-57. [Бесплатная статья PMC: PMC3360099] [PubMed: 22528680]

10.

Cárdenas C, Miller RA, Smith I, Bui T, Molgó J, Müller M, Vais H, Cheung KH, Yang J, Parker I, Thompson CB , Бирнбаум MJ, Hallows KR, Foskett JK.Существенная регуляция биоэнергетики клетки путем конститутивного переноса Ca2 + рецептора InsP3 в митохондрии. Клетка. 23 июля 2010 г .; 142 (2): 270-83. [Бесплатная статья PMC: PMC2911450] [PubMed: 20655468]

11.

Pablo Huidobro-Toro J, Verónica Donoso M. Сопутствующая трансмиссия: координированное действие АТФ и норадреналина и их модуляция нейропептидом Y в сосудистом нейроэффекторе человека переходы. Eur J Pharmacol. 2004 Октябрь 01; 500 (1-3): 27-35. [PubMed: 15464018]

12.

Coco S, Calegari F, Pravettoni E, Pozzi D, Taverna E, Rosa P, Matteoli M, Verderio C.Хранение и высвобождение АТФ из астроцитов в культуре. J Biol Chem. 2003 10 января; 278 (2): 1354-62. [PubMed: 12414798]

13.

Аттвелл Д., Лафлин С.Б. Энергетический баланс для передачи сигналов в сером веществе мозга. J Cereb Blood Flow Metab. 2001 Октябрь; 21 (10): 1133-45. [PubMed: 11598490]

14.

Харрис Дж. Дж., Джоливет Р., Аттвелл Д. Использование и поставка синаптической энергии. Нейрон. 2012 6 сентября; 75 (5): 762-77. [PubMed: 22958818]

15.

Wong-Riley MT. Цитохромоксидаза: эндогенный метаболический маркер нейрональной активности.Trends Neurosci. 1989 Март; 12 (3): 94-101. [PubMed: 2469224]

16.

Barclay CJ. Энергетика сокращения. Compr Physiol. 2015 Апрель; 5 (2): 961-95. [PubMed: 25880520]

17.

Rich PR. Молекулярный аппарат дыхательной цепи Кейлина. Biochem Soc Trans. 2003 декабрь; 31 (Pt 6): 1095-105. [PubMed: 14641005]

18.

Ronnett GV, Kim EK, Landree LE, Tu Y. Метаболизм жирных кислот как мишень для лечения ожирения. Physiol Behav. 2005 19 мая; 85 (1): 25-35.[PubMed: 15878185]

19.

Бровко Л.Ю., Романова Н.А., Угарова Н.Н. Биолюминесцентный анализ бактериального внутриклеточного AMP, ADP и ATP с использованием коиммобилизованного трехферментного реагента (аденилаткиназы, пируваткиназы и люциферазы светлячков). Анальная биохимия. 1 августа 1994 г .; 220 (2): 410-4. [PubMed: 7978286]

20.

Хаяшида М., Фукуда К., Фукунага А. Клиническое применение аденозина и АТФ для контроля боли. Дж. Анест. 2005; 19 (3): 225-35. [PubMed: 16032451]

21.

Agteresch HJ, Dagnelie PC, van den Berg JW, Wilson JH. Аденозинтрифосфат: установленные и потенциальные клинические применения. Наркотики. 1999 август; 58 (2): 211-32. [PubMed: 10473017]

Транспорт АДФ и АТФ в митохондриях и их носитель

Abstract

В отличие от некоторых более специализированных кратких обзоров, здесь представлен общий, хотя и не энциклопедический обзор функции, метаболической роли, структуры и механизма Представлен транспорт АДФ / АТФ в митохондриях.Очевидная потребность в «старомодном» обзоре проистекает из роли шлюза в метаболизме переноса АТФ в цитозоль из митохондрий. В ходе работ 40 или более лет назад над выяснением роли митохондриальных компартментов и двух мембран серьезной проблемой стала последовательность этапов того, как АТФ попадает в цитозоль. Когда пыль осела, появилась картина, где АТФ экспортируется через внутреннюю мембрану в обмене 1: 1 против АДФ и где выбор АТФ по сравнению с АДФ контролируется высоким мембранным потенциалом на внутренней мембране, таким образом увеличивая свободную энергию АТФ в цитозоле над митохондриальным матриксом.Таким образом, несопоставимые энергетические и окислительно-восстановительные состояния двух основных компартментов соединяются двумя носителями, чувствительными к мембранному потенциалу, чтобы обеспечить их симбиоз в эукариотической клетке. Достижению молекулярного уровня путем изучения связывания нуклеотидов и ингибиторов способствовал высокий уровень сайтов связывания носителей (AAC) в митохондриальной мембране. Поразительная гибкость связывания нуклеотидов выявила переориентацию сайтов-носителей между внешней и внутренней поверхностью, чему способствуют ингибиторы с высокой аффинностью, специфичные для боковых сторон.Были изложены доказательства использования одного сайта-носителя по сравнению с отдельными сайтами для субстрата и ингибиторов. В идеальной обстановке были разъяснены принципы транспортного катализа. Выделение интактного AAC в качестве первого для любого переносчика позволило восстановить транспорт для раскрытия, независимо от митохондриальных осложнений, факторов, контролирующих обмен ADP / ATP. Электрические токи, измеренные с восстановленным AAC, продемонстрировали электрогенную транслокацию и сдвиг заряда переориентирующих сайтов-носителей.Аберрантные или жизненно важные парафункции AAC при базальном разобщении и переходе митохондриальной поры были продемонстрированы в митохондриях и с помощью заплатки с восстановленным AAC. Первая аминокислотная последовательность AAC и любого эукариотического носителя предоставила модель сворачивания 6-трансмембранной спирали и была основой для картирования структуры с помощью исследований доступа с различными зондами и для демонстрации сильных конформационных изменений, требуемых механизмом переориентации. Мутации служат для выяснения функции остатков, включая особую чувствительность АТФ по сравнению с транспортом АДФ к удалению критического положительного заряда в AAC.После десятилетий сопротивления, наконец, появилась атомно-кристаллическая структура стабилизированного комплекса CAT-AAC, поддерживающая предсказанную принципиальную складку AAC, но демонстрирующая неожиданные особенности, относящиеся к механизму. Фактический механизм, являющийся снимком крайне неудачного «c-состояния», все еще остается предположением.

Сокращения

BHM

митохондрии бычьего сердца

SMP

субмитохондриальные частицы

MCF

семейство митохондриальных носителей

ITF

индуцированный переходный фит

SBCGP

единственный центр связывания закрытая поры

LAPAC20003 LDO

лауроил-прооксид

LAPAC

Lauroyl Pro зависимый анионный канал

DTNB

2,2 ‘дитиодибензоат

DAN

1,5-диметиламино-нафтоил

Ключевые слова

Транспорт АДФ / АТФ

Митохондриальный носитель

Биомембрана

Структура носителя

Транспортный механизм 9000 (0)

Авторские права © 2008 Elsevier B.V. Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

ATP Synthase — обзор

CF

₀ F ₁ -ATPase

F ₀ F ₁ -ATPase играет фундаментальную роль в поддержании гомеостаза pH . Функционально этот мультисубъединичный фермент организован в два отдельных, но физически связанных домена; каталитическая часть (F ₁ ) является цитоплазматической и включает субъединицы α, B, γ, δ и ε, в то время как интегральный мембранный домен (F ₀ ), включая субъединицы a, b и c, функционирует как мембранный канал для транслокации протонов (Sebald et al., 1982). Функция цитоплазматического домена состоит в том, чтобы катализировать синтез АТФ, когда протоны перемещаются извне клетки в цитоплазму, через мембраносвязанный домен, или гидролизовать АТФ, когда протоны перемещаются из клетки.

Роль F ₀ F ₁ -АТФазы в организмах, способных к окислительному фосфорилированию, заключается в аэробном синтезе АТФ в результате прохождения протонов в клетку и в создании протонной движущей силы (PMF) анаэробно, посредством изгнание протонов.Как следствие последнего механизма, считается, что F ₀ F ₁ -АТФаза может увеличивать внутриклеточный pH в ситуациях, когда он становится подкисленным. Для многих бактерий данные об активности демонстрируют, что снижение внутриклеточного pH сопровождается индукцией F ₀ F ₁ -АТФазы (Koebmann et al. , 2000; Kuhnert and Quivey, 2003; Kullen and Klaenhammer, 1999), в то время как у ряда видов бактерий, включая Lactobacillus acidophilus, (Kullen and Klaenhammer, 1999), S . mutans (Kuhnert et al. , 2004) и S . pneumoniae (Martin-Galiano et al. , 2001) транскрипция оперона F ₀ F ₁ индуцируется воздействием низкого pH. Присущая кислотостойкость различных бактерий связана как с уровнями F ₀ -АТФазы F ₁ , так и с оптимумом pH ферментов. Очевидно, что организмы, устойчивые к кислотам от природы, обладают F ₀ F ₁ -АТФаз с более низким оптимумом pH (Sturr and Marquis, 1992; Martin-Galiano et al., 2001).

Анализ роли F ₀ F ₁ -АТФазы в устойчивости к кислоте ограничен тем фактом, что эта система необходима для жизни многих видов бактерий (Koebmann et al. , 2000). Нам не удалось создать чистую делецию генов, кодирующих систему в L . monocytogenes (неопубликованные данные). Однако исследования двумерного гель-электрофореза показали, что листериальная субъединица F ₀ F ₁ -АТФазы индуцируется в результате воздействия слабой кислотной обработки (Phan-Thanh and Mahouin, 1999).Введение DCCD, ингибитора АТФазы, продемонстрировало, что АТФаза участвует в толерантности к кислоте и ATR (Datta and Benjamin, 1997). Кроме того, мы создали мутант с частичной вставкой в ​​F ₀ F ₁ -АТФаза в L . monocytogenes , которые не нарушают физическую форму. Этот мутант продемонстрировал, что F ₀ F ₁ -АТФаза L . monocytogenes участвует в индукции ATR у этой бактерии (Cotter et al., 2000).

IJMS | Бесплатный полнотекстовый | Прогулка по памяти, от первого функционального подхода до регулирующей роли митохондриального биоэнергетического потока в здоровье и болезнях: фокус на транслокаторе адениновых нуклеотидов

3.5. Изоформы ANT

ANT — это распространенный митохондриальный белок.

Люди обладают четырьмя различными изоформами ANT, кодируемыми четырьмя генами (названия генов в скобках): ANT1 (SLC25A4), ANT2 (SLC25A5), ANT3 (SLC25A6) и ANT4 (SLC25A31) [55], транскрипция которых зависит от типа клетки, стадия развития, пролиферация клеток и гормональный статус.Они имеют ~ 90% гомологии [56], за исключением ANT4, который имеет ~ 70% гомологии с остальными [57]. Экспрессия четырех изоформ тканеспецифична и может зависеть от пролиферативной способности ткани и ее энергетических потребностей в терминах гликолиза или OXPHOS [58]. ANT1 преимущественно экспрессируется в постдифференцированных тканях, таких как сердце и скелетные мышцы [59] ]. ANT2 специфически экспрессируется либо в недифференцированных клетках, таких как лимфоциты, либо в тканях, способных к пролиферации и регенерации, таких как ткани почек и печени [60].Экспрессия ANT2, которая, как было показано, зависит от роста, считается маркером пролиферации клеток [61]. Экспрессия гена ANT2 подавляется в дифференцированных клеточных линиях и остается невыраженной или слабо экспрессированной в большинстве тканей [60]. ANT3 экспрессируется повсеместно [60,62], а ANT4 специфически экспрессируется в тканях легких и зародышей [63,64]. В 1999 году систематический скрининг проапоптотических генов привел к идентификации ANT1 как проапоптотического фактора [65]. Апоптоз, индуцированный сверхэкспрессией ANT1, сопровождался повышенным высвобождением цитохрома с и активацией каспаз-9 и -3, что указывает на то, что его экспрессия способствует митохондриально-зависимому апоптозу [65,66].В подтверждение своей проапоптотической роли in vivo, трансфекция ANT1 в клетках аденокарциномы молочной железы на модели голых мышей индуцировала апоптоз, увеличивала экспрессию Bax и, наконец, стимулировала регрессию опухоли, подтверждая гипотезу о том, что ANT1 может быть мощной терапевтической мишенью для лечения рак [56]. Прямое участие ANT в апоптозе дает еще одну причину сосредоточить внимание на ANT в развитии рака. Кроме того, ANT работает с Bax, циклофилином D (CyP-D) матрицы и VDAC OMM с образованием поры с переходной проницаемостью (PTP) (см. Ниже, раздел 3.6.2), летальная пора во время апоптоза [60]. Поскольку экспрессия изоформ ANT зависит от энергетического метаболизма митохондрий, избыточная экспрессия изоформ ANT обнаруживает вариации в апоптотическом поведении. Следовательно, сверхэкспрессия ANT1 и ANT3 может увеличивать экспорт АТФ из матрикса и приводить к обесточиванию митохондрий, что вызывает апоптоз. Напротив, в линиях опухолевых клеток предпочтение отдается импорту АТФ и так называемой матричной конформации ANT; следовательно, изоформа ANT2 может быть прямым ингибитором PTP-функции ANT [67] и затем считаться антиапоптотическим онкопротеином [68,69], который действует как ингибитор проницаемости митохондриальной мембраны.В дифференцированных взрослых клетках ANT1 высоко экспрессируется, а экспрессия ANT2 минимальна [69], тогда как, когда он становится злокачественным (переход от аэробного дыхания к аэробному гликолизу), он подавляет ANT1 и усиливает экспрессию ANT2, что связано со скоростью метаболизма гликолита и является важным показателем канцерогенеза. В условиях нарушения OXPHOS ANT2 импортирует гликолитически продуцируемый АТФ в митохондрии. В митохондриальном матриксе комплекс F1Fo-ATPase гидролизует АТФ, выкачивая протон в межмембранное пространство.Обратные операции ANT2 и F1Fo-ATPase в гликолитических условиях способствуют поддержанию потенциала митохондриальной мембраны, обеспечивая выживание и пролиферацию клеток. Действительно, в большинстве линий раковых клеток уровень ANT2 очень высок [69], в отличие от ANT1. Экспрессия ANT3 низкая по всем направлениям.

В отличие от изоформ ANT1 и ANT3, ANT2 не проапоптотический.

Если ANT1 и ANT3 связаны с аэробным дыханием, таким образом экспортируя АТФ, продуцируемый OXPHOS из митохондрий в цитозоль, одновременно импортируя АДФ [60], ANT2, напротив, связан с аэробным гликолизом [60].Его экспрессия является маркером быстрой пролиферации и / или рака. Следовательно, специфическое ингибирование ANT2 является перспективной противораковой стратегией. Несомненно, что раковые клетки используют митохондриальную АТФ-синтазу для гидролиза гликолитического АТФ для поддержания ΔΨ; однако, будь то в раковых клетках, проникновение гликолитического АТФ в митохондрии происходит посредством ANT-зависимого пути или чего-то другого, кроме ANT [70], на сегодняшний день неизвестно. Если подумать, это могло быть через электронейтрального носителя ATP-Mg / Pi, который обменивает ATP (Mg-ATP ^— ) на Pi (HPO ₄ ²⁻) [57], но это не единственный гипотеза.Фактически, поскольку геном человека кодирует 48 различных митохондриальных носителей [71], и большая часть из них еще не получила назначенную функцию, возможно, что один или несколько из этих «сиротских» транспортов облегчают проникновение АТФ в митохондрии. В недавней статье Форрест [57] идентифицировал молекулярные мишени и операции, уникальные для раковых клеток; в частности, автор, предполагающий, что ANT2 действительно импортирует АТФ в митохондрии раковых клеток, предсказал, что ANT2 обратно ориентирован в IMM по сравнению с нормальными клетками, что делает его устойчивым к ингибированию CAT и BKA, которые являются ингибиторами ANT.Этим объясняется неспособность этих препаратов блокировать проникновение АТФ в митохондрии раковых клеток [70]. Отсюда следует, что ANT2 имеет другой профиль взаимодействия с лекарствами, который можно использовать для селективной терапии рака. Дальнейшее различие состоит в том, что эта противоположная ориентация ANT2 может сделать его менее предрасположенным к присоединению, чтобы создать поры перехода проницаемости (PTP) в сценариях апоптоза [57].

3,7. Определение кинетики ANT с использованием системы обнаружения АТФ

Кинетика ANT имеет большое физиологическое значение, поскольку вполне вероятно, что кинетические параметры носителя являются основным фактором, определяющим скорость цитозольной утилизации АТФ in situ.В большинстве кинетических исследований — в конце 1980-х — использовались меченые изотопами субстраты носителя и измерялось поглощение / высвобождение изотопов в / из митохондриального матрикса. Однако при попытке интерпретировать данные возникло множество проблем.

Вскоре всем стало ясно, что прямые точные измерения начальной скорости практически невозможно достичь, потому что транспорт быстрый, заменяемые пулы малы, а метод остановки ингибитора тормозит с переменной скоростью, зависящей от условий возбуждения и концентрации субстрата. .

Чтобы обойти проблемы, связанные с измерением кинетики ANT в интактных митохондриях, Кремер и Клингенберг [13,95,96,97,98] измерили кинетику ANT в восстановленной системе, состоящей из искусственных липосом и изолированного носителя. К сожалению, даже в этом случае обнаружились различные проблемы, связанные с изменениями, зависящими от времени, с градиентом K ⁺ , используемым для оценки, и так далее.

Несколько других методов, помимо изотопного (метод 1) для определения стационарной скорости обмена АТФ-АДФ, опосредованной ANT, были описаны в прошлом.

Некоторые из них напрямую измеряют АДФ и / или АТФ с помощью (2) тонкослойной хроматографии [99] или (3) высокоэффективной жидкостной хроматографии [100]. В другом случае используются сопряженные реакции, дающие конечный продукт, который может быть обнаружен (4) люминометрически, детектируя хемилюминесценцию при АТФ-зависимом окислении люциферина, катализируемом люциферазой светлячков [101]. Кроме того, существуют методы, в которых используются (5) флуоресцентные производные нуклеотидов для оценки скорости высвобождения флуоресцентной молекулы при ANT-опосредованном обмене на ADP [102].

Среди вышеупомянутых методологий радиоактивный метод, очень чувствительный анализ, который уже работает с небольшими количествами митохондриального белка, требует обращения с радиоактивным материалом, а методы 2 и 3 требуют опыта использования специального оборудования. Прежде всего, это, по сути, анализы конечной точки.

Только методы 4 и, возможно, 5 можно рассматривать как оперативные измерения. Однако, со своей стороны, метод 5 основан на материалах, которые не являются коммерчески доступными и поэтому не привлекают широкое научное сообщество.Метод 4 (люциферазный метод), если он используется в качестве интерактивного метода, имеет несколько недостатков: во-первых, отсутствует постоянная пропорциональность между концентрацией АТФ и люминесценцией, вызванной ингибированием продукта реакции люциферазы оксилюциферином; во-вторых, для надежной оценки кинетики образования АТФ необходимо измерить эндогенную концентрацию АТФ перед анализом; в-третьих, необходимое использование среды с низкой ионной силой и комнатной температуры ограничивает эксперименты условиями, которые далеки от физиологических.Хотя некоторые недостатки этого метода были преодолены различными модификациями [103], он, безусловно, не подходит для этой цели. В целом, для комплексной оценки методов измерения скоростей обмена АТФ-АДФ в митохондриях и реконструированных системах, отсылаем читателя к обзору Мартина Клингенберга [22].

Это был 1988 год.

Исходя из измерений и кинетических определений других переносчиков [16], для которых используются различные системы обнаружения метаболитов (состоящие из фермента (ов) и кофактора (ов), предназначенных для выборочного определения внешнего вида молекул, происходящих из митохондрий). митохондриальный метаболизм поглощенного субстрата), идея применения того же критерия к ANT нас очень пощекотала и оказалась успешной.Очевидно, этот переносчик играет главную роль в клеточном метаболизме, потому что функция митохондрии — по определению — снабжать клетку АТФ, который также является универсальным энергетическим сигналом метаболизма, генерируемым или потребляемым в каждом метаболическом пути. Следовательно, переносчик важен для регуляции клеточного метаболизма и, следовательно, как мы увидим, он участвует в различных патологических состояниях (см. Ниже, раздел 4).

Конечно, в этом случае, в отличие от других митохондриальных носителей, мы столкнулись со «сложным» случаем: если правильное изучение свойств проницаемости митохондрий не могло не учитывать их целостность и функциональность, что делало необходимым верификацию митохондрий. связывание перед каждым экспериментом, в этом случае вопрос был острым.За обменом антипорта АДФ / АТФ можно было следить, используя исключительно митохондрии, в которых происходил OXPHOS. Таким образом, мы оказались в условиях, когда протонный градиент использовался как для работы носителя, так и для OXPHOS.

Появление АТФ во внемитохондриальной фазе, обнаруживаемое специальной детектирующей системой, является результатом процесса, состоящего из нескольких этапов: (1) поглощение АДФ через АНТ в обмен на эндогенный АТФ; (2) синтез АТФ через АТФ-синтазу, которая использует энергию, возникающую в результате окисления эндогенных субстратов; и (3) экспорт вновь синтезированного АТФ в обмен на АДФ.

С использованием митохондрий печени крысы (RLM) был разработан метод постоянного мониторинга оттока АТФ из митохондрий, который происходит путем добавления АДФ к суспензии митохондрий, инкубированной в присутствии глюкозы, НАДФ ⁺ , гексокиназы (HK) и глюкозы. -6-фосфатдегидрогеназа (G6PDH) путем фотометрического выявления появления АТФ во внемитохондриальной фазе по увеличению оптической плотности при 340 нм за счет восстановления NADP ⁺ [104], принимая во внимание стехиометрическое соотношение 1: 1 между истекшим АТФ и образованным НАДФН (рис. 1).

Действительно, экспериментальная стратегия сложна. Фактически, продукция АТФ митохондриями, инкубированными с АДФ, может происходить как за счет активности АТФ-синтазы в OXPHOS, так и за счет аденилаткиназы (ADK), которая локализована в межмембранном пространстве. Таким образом, чтобы разделить вклад этих двух путей в продукцию и появление АТФ за пределами митохондрий, мы использовали CAT, олигомицин (OLIGO) и Ap5A для ингибирования ANT, ATP-синтазы и ADK, соответственно.

Мы наблюдали, что в присутствии Ap5A скорость появления АТФ полностью ингибировалась добавлением CAT или OLIGO.Вместо этого, когда тот же эксперимент проводили фотометрически в присутствии CAT (5 мкМ) и OLIGO (2,5 мкМ), таким образом отслеживая только ADK-зависимую продукцию АТФ, АТФ образовывался в результате добавления АДФ. Как и ожидалось, добавление Ap5A (20 мкМ) полностью блокировало скорость образования НАДФН.

Скорость восстановления NADP ⁺ показала гиперболическую зависимость от концентрации ADP и оказалась мерой активности транслокатора ADP / ATP в присутствии Ap5A, используемого для ингибирования аденилаткиназы [104,105], как установлено определение предельного шага глобального процесса (см. ниже).

Важно отметить, что впервые обмен АДФ / АТФ был изучен с использованием дыхательных и фосфорилирующих митохондрий, то есть в примерно «физиологических» условиях, поскольку внутримитохондриальная концентрация АТФ не увеличивается в результате процедуры нагрузки, а определяется только поглощение и фосфорилирование добавленного извне АДФ.

Кроме того, если предположить, что доступная энергия не является ограничивающей, скорость потока АТФ будет зависеть либо от скорости антипортера, либо от скорости АТФ-синтазы.

Таким образом, чтобы выяснить, определяет ли АТФ или АТФ-синтаза скорость появления АТФ вне митохондрий, эту активность измеряли в присутствии CAT и OLIGO. Первый подавляет транспорт, но не синтез АТФ; напротив, второй подавляет синтез, не ингибируя носитель.

Путем измерения скорости оттока АТФ как функции концентрации каждого из двух ингибиторов, ингибирование было немедленным и увеличивалось для ингибитора реакции, представляющей лимитирующую стадию, т.е.е., CAT.

Хотя OLIGO ингибирует АТФ-синтазу, он не может ингибировать глобальный процесс оттока АТФ, пока скорость синтеза АТФ через АТФ-синтазу, ингибируемая OLIGO, не станет ниже, чем у носителя. График обратной скорости, измеренной как функция концентрации непроникающего ингибитора, пересечение прямой линии на оси ординат является мерой транспортной активности в отсутствие ингибитора, что указывает на то, что АТФ / АДФ обмен определяет скорость оттока АТФ.Напротив, в OLIGO не все точки находятся на одной линии: точка пересечения оси Y (равная нулю (OLIGO)) экстраполированных линий отличается (на 1 / V ниже) от активности, измеренной в нуле (OLIGO). . Таким образом, мы смогли сделать вывод, что скорость появления АТФ вне митохондрий определяется скоростью обмена АДФ / АТФ через АНТ, а не скоростью синтеза АТФ через АТФ-синтазу.

Это тот случай, в котором (см. Выше), как и ожидалось, определение лимитирующей стадии не могло быть выполнено с помощью детергента, поскольку OXPHOS требует интактных митохондриальных мембран.Поэтому, поскольку активность АНТ зависит от потенциала митохондриальной мембраны mΔΨ, измерению его активности всегда предшествовало измерение mΔΨ. Выбор субстратов, качество митохондрий и состав буфера, и это лишь некоторые из них, влияют на mΔΨ и, как расширение этого, на скорость обмена ADP-ATP. Отсюда следует, что еще одним аспектом, который следует учитывать при применении этого метода, является тот факт, что в принятых экспериментальных условиях энергия для синтеза АТФ давалась за счет окисления эндогенных субстратов.Иногда в экспериментальных целях, чтобы убедиться, что сами митохондрии могут управлять синтезом АТФ без каких-либо ограничений из-за дефицита энергии, мы активировали митохондрии, присутствующие в гомогенатах клеток, путем добавления β-гидроксибутирата (5 мМ), респираторного субстрата, который проникает в митохондрии посредством диффузии с помощью увеличение мембранного потенциала. Если скорость продукции АТФ не была значительно увеличена в этих условиях, мы пришли к выводу, что сами митохондрии могут генерировать электрохимический протонный градиент, необходимый для синтеза АТФ.Напротив, предотвращение образования ΔμH ⁺ из эндогенных субстратов путем добавления коктейля из ингибиторов электронного потока ротенона, антимицина А, миксотиазола и цианида приводило к блокированию продукции АТФ.

Кроме того, особое внимание было уделено использованию достаточного количества ферментов, связанных с HK / G6PDH, чтобы обеспечить неограничивающую систему регенерирования АДФ для измерения продукции АТФ. Следовательно, в качестве контроля всегда проверялось, что (i) связанная ферментная система, используемая для обнаружения АТФ вне митохондрий, сама по себе не ограничивает скорость, показывая, что добавление дополнительного количества АТФ приводит к увеличению скорости поглощения, (ii) тогда как после добавления как субстратных, так и ферментных компонентов АТФ D. увеличение скорости не происходило.С.

Митохондрии — Физиопедия

Присутствующие почти во всех типах клеток человека, митохондрии жизненно важны для нашего выживания. Митохондрии — необычные органеллы.

• Они действуют как энергетические установки клетки, окружены двумя мембранами и имеют собственный геном.
• Участвуют в других задачах, таких как передача сигналов между клетками и гибель клеток, т.е. апоптоз
• Они делятся независимо от клетки, в которой они проживают, что означает, что репликация митохондрий не связана с делением клетки.
• Некоторые из этих особенностей являются пережитками древних предков митохондрий, которые, вероятно, были свободноживущими прокариотами.
• Деление митохондрий стимулируется потребностью в энергии, поэтому клетки с повышенной потребностью в энергии содержат большее количество этих органелл, чем клетки с более низкой энергией. ^[1]

Изображение: Митохондрии красным цветом показаны в клетке.

Наш изначальный предок был простым одноклеточным существом, жившим в длительной колее эволюционного застоя.Затем произошло нечто драматическое: одна из клеток поглотила другую и поработила ее как постоянный источник энергии для своего хозяина.

Увеличение энергии, доступной клетке, привело к образованию более сложных организмов с множеством клеток, глаз и мозга. Когда два вида стали переплетаться (делили часть своей ДНК и делегировали определенные клеточные задачи), они в конечном итоге сформировали самые близкие биологические отношения. Два отдельных вида стали одним.

• Эти энергетические рабы — митохондрии, и их сотни или даже тысячи находятся внутри каждой из ваших клеток (за исключением красных кровяных телец) и в каждом другом живом человеке.
• Они по-прежнему напоминают свое бактериальное происхождение по внешнему виду, но мы больше не можем существовать без них, как и они без нас.
• Эволюционный взрыв, вызванный митохондриями, очевиден тем фактом, что они обнаружены в каждом сложном многоклеточном организме, который когда-либо существовал, от жирафов до пальм, грибов и динозавров. ^[2] .
• Хотя большая часть нашей ДНК хранится в ядре каждой клетки, митохондрии имеют свой собственный набор ДНК. Интересно, что митохондриальная ДНК (мтДНК) больше похожа на бактериальную ДНК.МтДНК содержит инструкции для ряда белков и другого клеточного вспомогательного оборудования для 37 генов. Геном человека, хранящийся в ядрах наших клеток, содержит около 3,3 миллиарда пар оснований, тогда как мтДНК состоит менее чем из 17000.
• В отличие от ядерного генома, митохондриальный геном небольшой, круглый и использует другой код ДНК. Митохондриальный геном прокладывает себе путь из поколения в поколение, укладываясь в митохондрии, содержащиеся в каждом яйце, и, как таковой, передается только от матери.Это отличается от ядерного генома, половина которого унаследована от вашего отца, а другая половина — от матери.
• Митохондрии не содержат сколько-нибудь близкого количества ДНК, необходимого для кодирования всех митохондриально-специфических белков, однако миллиард или около того лет эволюции могут объяснить прогрессирующую потерю независимости. ^[3]

Митохондрии:

• Маленькие (от 0,75 до 3 микрометров), невидимые под микроскопом, если они не окрашены.
• В отличие от других органелл, они имеют две оболочки, внешнюю и внутреннюю. Каждая мембрана выполняет разные функции.

Митохондрии разделены на разные компартменты или области, каждый из которых выполняет разные роли.

Некоторые из основных регионов включают:

• Наружная мембрана: Небольшие молекулы могут свободно проходить через внешнюю мембрану. Эта внешняя часть включает белки, называемые поринами, которые образуют каналы, позволяющие белкам пересекаться.На внешней мембране также находится ряд ферментов с широким спектром функций.
• Межмембранное пространство: область между внутренней и внешней мембранами.
• Внутренняя мембрана: удерживает белки, выполняющие несколько функций. Поскольку во внутренней мембране нет поринов, она непроницаема для большинства молекул. Молекулы могут пересекать внутреннюю мембрану только в специальных мембранных транспортерах. Внутренняя мембрана — это место, где создается большая часть АТФ.
• Cristae: складки внутренней мембраны. Они увеличивают площадь поверхности мембраны, тем самым увеличивая пространство, доступное для химических реакций.
• Матрица: пространство внутри внутренней мембраны. Он содержит сотни ферментов и играет важную роль в производстве АТФ. Здесь размещается митохондриальная ДНК (см. Ниже).

Различные типы клеток имеют разное количество митохондрий. Например, у зрелых эритроцитов их нет вообще, в клетках печени их может быть более 2000. Клетки с высоким потреблением энергии, как правило, имеют большее количество митохондрий. Около 40 процентов цитоплазмы клеток сердечной мышцы занято митохондриями.

Хотя митохондрии часто изображают как органеллы овальной формы, они постоянно делятся (делятся) и соединяются (слияние). Итак, в действительности эти органеллы связаны друг с другом в постоянно изменяющиеся сети ^[4] .

Производство энергии

• Самая известная роль митохондрий — производство энергии (однако только около 3 процентов генов, необходимых для того, чтобы митохондрии попадали в оборудование для производства энергии).
• АТФ, сложное органическое химическое соединение, обнаруженное во всех формах жизни, часто называют молекулярной единицей валюты, поскольку оно поддерживает метаболические процессы.Большая часть АТФ производится в митохондриях посредством серии реакций, известных как цикл лимонной кислоты или цикл Кребса. (см. Изображение R)
• Производство энергии в основном происходит на складках или кристах внутренней мембраны.
• Митохондрии преобразуют химическую энергию пищи, которую мы едим, в форму энергии, которую клетка может использовать. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием.
• Цикл Кребса производит химическое вещество под названием НАДН. НАДН используется ферментами, встроенными в кристы, для производства АТФ.В молекулах АТФ энергия хранится в виде химических связей. Когда эти химические связи разрываются, можно использовать энергию.
• Тренировка на выносливость может увеличить объем и количество митохондрий (величина этих изменений зависит от частоты и интенсивности тренировок). ^[5]

Гибель клеток

• Гибель клеток (апоптоз) — неотъемлемая часть жизни. По мере того, как клетки стареют или разрушаются, они очищаются и разрушаются. Митохондрии помогают решить, какие клетки уничтожены.
• Митохондрии выделяют цитохром С, который активирует каспазу, один из главных ферментов, участвующих в разрушении клеток во время апоптоза.
• Поскольку некоторые заболевания, такие как рак, связаны с нарушением нормального апоптоза, считается, что митохондрии играют роль в заболевании.

Накопление кальция

• Кальций жизненно важен для ряда клеточных процессов. Например, высвобождение кальция обратно в клетку может инициировать высвобождение нейротрансмиттера из нейрона или гормонов из эндокринных клеток.Кальций также необходим для работы мышц, оплодотворения и свертывания крови, среди прочего.
• Поскольку кальций очень важен, клетка строго регулирует его. Митохондрии играют в этом роль, быстро поглощая ионы кальция и удерживая их до тех пор, пока они не понадобятся.
• Другие роли кальция в клетке включают регулирование клеточного метаболизма, синтеза стероидов и передачу сигналов гормонов.

Производство тепла

• Когда нам холодно, мы дрожим, чтобы согреться.Но тело также может генерировать тепло и другими способами, одним из которых является использование ткани, называемой бурым жиром.
• Во время процесса, называемого утечкой протонов, митохондрии могут выделять тепло. Это известно как термогенез без дрожи. Самый высокий уровень коричневого жира обнаруживается у младенцев, когда мы более восприимчивы к холоду, и его уровень постепенно снижается с возрастом ^[4] .

Митохондрии в здоровье и болезнях [править | править источник]

Митохондрии были признаны «электростанциями», которые обеспечивают более 90% АТФ, необходимого для клеточного метаболизма.Кроме того, они вовлечены в другие аспекты клеточного метаболизма и функции и участвуют в регуляции ионного гомеостаза, роста клеток, окислительно-восстановительного статуса, передачи сигналов клеток и, таким образом, играют ключевую роль как в механизмах выживания, так и в механизмах гибели клеток ^{[6 ]} .

• Благодаря своей центральной роли в жизни и смерти клеток митохондрии также участвуют в патогенезе и прогрессировании многих заболеваний человека, например рака, нейродегенеративных и сердечно-сосудистых заболеваний, диабета, черепно-мозговой травмы и воспаления ^[4] .
• В течение жизни мутации неизбежно происходят в митохондриальном геноме нейронов, мышц и всех других клеток человека. Убедительная работа теперь предполагает, что накопление этих ошибок может способствовать прогрессирующему характеру поздних дегенеративных заболеваний, таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона ^[7] .
• см. Также митохондриальные миопатии

MFSD7C переключает митохондриальный синтез АТФ на термогенез в ответ на гем

Очистка N-концевого домена (NTD) MFSD7C

Плазмида, несущая GST-His-tag-SUMO-NTD (аминокислоты 1–84), была трансформирована в Escherichia coli Lemo21 (DE3) (New England Biolabs) и выращивали в течение ночи в 50 мл LB с добавлением ампициллина (100 мкг / мл) при 37 ° C.На следующий день 5 мл ночной культуры разводили в 5 л потрясающей бульонной среды (ТВ) с добавлением ампициллина (100 мкг / мл) при 37 ° C и выращивали до О. ₆₀₀ = 0,6. Экспрессию GST-His-tag-SUMO-NTD индуцировали 0,5 мМ IPTG в течение 16 часов при 37 ° C. Клетки собирали центрифугированием и один раз промывали ледяной водой Milli-Q. Промытый осадок ресуспендировали в 50 мл ледяного буфера A (50 мМ Tris-HCl pH 8,0, 500 мМ NaCl, 0,5% Triton X-100), содержащего коктейль ингибитора протеазы VII (RPI International), и ресуспензию замораживали при температуре −80 ° C не дольше одной недели.Ресуспензию размораживали при комнатной температуре и клетки лизировали ультразвуком в холодной комнате. Лизат очищали центрифугированием (20000 × г, в течение 45 минут), и супернатант инкубировали с 5 мл смолы для полной очистки His-tag (Roche), предварительно уравновешенной буфером A, в течение 3 часов при вращении в холодной комнате. Проточный раствор отбрасывали, и смолу дважды промывали 25 мл ледяного буфера B (10 мМ трис-HCl pH 8,0, 100 мМ NaCl). GST-His-tag-SUMO-NTD элюировали со смолы 20 мл буфера B, содержащего 300 мМ имидазол.К элюированной фракции добавляли β-меркаптоэтанол (f.c. 2 мМ), и NTD отщепляли от остального белка с помощью каталитической субъединицы дрожжевого Ulp1 (f.c. 1 мкг / мл в течение 1 ч в холодной комнате). После инкубации с Ulp1 смесь быстро замораживали в жидком азоте, лиофилизировали в течение ночи и ресуспендировали в 10 мл чистой воды, пригодной для ВЭЖХ. На этом этапе удалялись летучие молекулы, такие как β-меркаптоэтанол, и выборочно осаждались GST-His-tag-SUMO, Ulp1 и другие загрязняющие белки, при этом он не влиял на стабильность водорастворимых и изначально неупорядоченных NTD.Осадок очищали центрифугированием (20000 × г, в течение 15 мин) и супернатант, содержащий NTD, переносили в свежие пробирки. NTD осаждали изопропанолом (f.c. 50% об. / Об.) При -20 ° C в течение 2 часов и центрифугировали. Супернатант отбрасывали, а осадок сушили на воздухе при комнатной температуре в течение 10 мин. Осажденный NTD ресуспендировали в 5 мл чистой воды, пригодной для ВЭЖХ. Наконец, ресуспендированный образец наносили на предварительно уравновешенную колонку для гель-фильтрации Superdex 75 10/300 со стерилизованной фильтрацией водой, пригодной для ВЭЖХ.Пиковые фракции, содержащие NTD, объединяли, лиофилизировали и ресуспендировали в воде для ВЭЖХ до желаемой концентрации. Пять литров клеток обычно дают 15 мг NTD с чистотой не менее 95% согласно SDS-PAGE и MALDI-TOF анализам. Мутантный NTD, несущий мутации His30Ala / His36Ala / His48Ala / His54Ala / His66Ala, был очищен таким же образом, как NTD дикого типа.

Синтез пептидов

Пептид с мотивом HP дикого типа (HPSALAQPSGLAHP) и мутантный пептид с мотивом HP (APSALAQPSGLAAP) были синтезированы с использованием твердофазного синтеза и очищены с помощью ВЭЖХ в Biopolymers and Proteomics Core в Институте интегративных исследований рака Коха.

Анализ изменения абсорбции гема

Гемин готовили свежим перед каждым экспериментом. Примерно 20 мг гемина (Sigma) помещали в свежую пробирку и ресуспендировали в 1 мл ДМСО. Раствор гемина медленно разбавляли при смешивании с 1 мл 2 × буфера C (25 мМ HEPES-NaOH, pH 7,8, 10 мМ NaCl), и агрегированный гемин удаляли, пропуская раствор через фильтрующий элемент 0,2 мкм. Концентрацию гемина определяли разбавлением отфильтрованного раствора 1 × буфером C 1: 100 и использованием коэффициента экстинкции 58 400 см ^-1 M ^-1 при 385 нм.Для каждой реакции 200 мкл реакционной смеси, содержащей 100 мкМ гемина, 25 мМ HEPES-NaOH pH 7,8, 10 мМ NaCl и различные концентрации дикого типа или мутантного белка NTD, помещали в прозрачный 96-луночный планшет. Интенсивность поглощения измеряли с помощью считывающего устройства для микропланшетов Tecan Infinite M200 Pro в диапазоне от 330 до 550 нм с шагом 5 нм. Интенсивность поглощения растворенного гемина вычитали из интенсивности поглощения гемина, инкубированного с различными концентрациями белка.

Анализ гель-фильтрацией

Очищенный NTD (200 мкМ) инкубировали со свежеприготовленным гемом (150 мкМ) в 1 мл реакционной смеси, содержащей 5% ДМСО, 25 мМ HEPES-NaOH pH 7.8 и 10 мМ NaCl. Раствор пропускали через колонку для гель-фильтрации Superdex 75 (24 мл) со скоростью 0,3 мл / мин с использованием AKTA-FPLC. Поглощение контролировали при 230, 380 и 415 нм. Объем инъекции в два миллилитра вычитали из конечного объема элюирования. Раствор, содержащий растворенный гемин в реакционном буфере без белка NTD, агрегированный наверху колонки Superdex 75, поэтому в наших экспериментах этого контроля избегали.

Изотермическая калориметрия титрования (ITC)

ITC выполняли с использованием Microcal VP-ITC (Malvern).Свежеприготовленный 25 мкМ раствор гемина (описанный выше) в 10% ДМСО, 25 мМ HEPES-NaOH, pH 7,8, помещали в ячейку для образца без использования пузырьков. Контрольную ячейку заполняли буфером, содержащим 10% ДМСО, 25 мМ HEPES-NaOH pH 7,8 без гемина. Шприц для титрования заполняли 110 мкМ белка NTD в подходящем буфере. Эксперимент проводился в соответствии с инструкциями производителя с использованием следующих параметров: температура была установлена ​​на 25 ° C, общее количество инъекций 27 (первая инъекция составляла 1 мкл с последующими инъекциями 10 мкл в течение 20 с), дифференциальная мощность была установлена ​​на 10, задержка составляла 60 с, шприц вращался со скоростью 307 об / мин.

Антитела, клеточные линии и проточная цитометрия

Антитела, специфичные к MFSD7C (каталожный номер HPA037984) для вестерн-блоттинга или иммунофлуоресценции, были приобретены у Sigma. Антитела, специфичные к SERCA2b (каталожный номер ab2861) для иммунофлуоресценции, были приобретены у Abcam. Антитела, специфичные для SERCA2b (№ по каталогу 4388) для вестерн-блоттинга, были приобретены в Cell Signaling Technology. Анти-Калнексин (№ по каталогу ab13504) для локализации ER был приобретен у Abcam. Anti-Myc (Кат.5605), антитела против НА (Каталожный № 2367) и анти-FLAG (Каталожный № 2368) были приобретены у Cell Signaling Technology. Плазмида человека SERCA2b (№ по каталогу 75188) была приобретена у Addgene. Клеточные линии THP-1 (ATCC TIB-202), MH-S (ATCC CRL-2019) и 293FT ⁴³ культивировали в соответствии с инструкциями поставщика (37 ° C, 5% CO ₂ ). Клетки, меченные FPT, анализировали на BD-LSRII, собирая 20000 живых клеток на образец. Данные были проанализированы с помощью FlowJo.

Анализ клеточного фракционирования всего мозга мышей

Целый мозг мышей C57BL / 6 выделяли, ресуспендировали в PBS с добавлением 10 мМ ЭДТА и пропускали через 40 мкм фильтр для клеток Falcon (VWR).Ресуспензию центрифугировали при 1200 × g и еще дважды промывали PBS / 10 мМ EDTA. Осадок ресуспендировали в 35 мл холодного буфера 1 × MS (210 мМ маннит, 70 мМ сахароза, 5 мМ Tris-HCl pH 7,5, 1 мМ EDTA) с добавлением 1% БСА, не содержащего жирных кислот (Sigma). Клетки лизировали с помощью гомогенизатора Даунса с 10-15 взмахами пестика, лизат переносили в центрифужную пробирку на 50 мл и центрифугировали при 1300 × g в течение 5 мин при 4 ° C для осаждения ядер и неразрушенных клеток.Супернатант переносили в свежую центрифужную пробирку на 50 мл, и стадию ядерного осаждения повторяли еще два раза. Затем супернатант центрифугировали при 10000 × g в течение 15 минут при 4 ° C для осаждения митохондрий. Супернатант сохраняли для анализа (Sup), а неочищенный осадок митохондрий промывали еще раз ресуспендированием в 35 мл ледяного буфера 1 × MS плюс 1% BSA с последующим центрифугированием при 10000 × г в течение 15 мин при 4 ° C. Неочищенный осадок митохондрий ресуспендировали в 5 мл 1 × MS-буфера, и митохондрии немедленно использовали для вестерн-блот-анализа (Mito).Вестерн-блоттинг выполняли с использованием следующих антител: анти-MFSD7C (Sigma, Каталожный № HPA037984), анти-VDAC (Cell Signaling Technologies, Каталожный № 4661), анти-COX4I1 (Cell Signaling Technologies, Каталожный № 4850), анти-GAPDH (Cell Signaling Technologies, № по каталогу 5174), анти-NPM1 (Novus Biologicals, № по каталогу NB110-61646SS), анти-кальретикулин (Cell Signaling Technologies, № по каталогу 12238), анти-SERCA2b (Cell Signaling Technologies , № по каталогу 3010) и anti-LC3 (Cell Signaling Technologies, № по каталогу2775).

ДНК-плазмиды для IP-MS, локализация, co-IP, редактирование генома

Для создания MFSD7C, меченного эпитопами FLAG и Myc, для иммунопреципитационно-масс-спектрометрии (IP-MS), фрагмент GFP-P2A амплифицировали с праймерами Bgl II -NHEI-GFP-F и BamHI-P2A-GFP-R. Фрагмент расщепляли с использованием Bgl II / Bam HI и вставляли в сайт Bam HI вектора pLKO.1 (Addgene Catalog No. 10878) для получения вектора pLKO.1-GFP-P2A-Puro. Фрагмент MFSD7C-FLAG-Myc амплифицировали из мышиной плазмиды MFSD7C (Origene Catalog No.MR208748) с использованием праймеров MFSD7C-SgfI-F и AC-Myc-DDK-MluI-KpnI-R. Фрагмент расщепляли SgfI, а затем KpnI. Фрагмент клонировали в сайты SgfI и KpnI вектора pLKO.1-GFP с получением pLKO.1-GFP-P2A-MFSD7C-FLAG-Myc (дополнительный рис. 2a, b).

Чтобы сконструировать слияние MFSD7C-GFP для исследования локализации, фрагмент MFSD7C был амплифицирован из мышиной плазмиды MFSD7C (номер в каталоге Origene MR208748) с праймерами MFSD7C-SgfI-F и AC-Myc-DDK-MluI-KpnI-R и вставлен в Сайты SgfI и MluI вектора pCMV6-AC-GFP (Origene Catalogue No.PS100010), так что GFP сливается с C-концом MFSD7C (дополнительный рис. 2a, b).

Для конструирования различных векторов для коиммунопреципитации фрагмент MFSD7C был амплифицирован из плазмиды MFSD7C мыши (номер в каталоге Origene MR208748) с праймерами MFSD7C-SgfI-F и AC-Myc-DDK-MluI-KpnI-R и вставлен в Сайты SgfI и MluI pCMV6-AN-3HA (номер в каталоге Origene PS100066), так что тег HA вводится в N-конец MFSD7C. Мышиный Hmox1 (№ по каталогу MR203944), Cyc1 (№ по каталогуMR204721), Cox4i1 (каталожный номер MR218332), Ndufa4 (каталожный номер MR216909), ATP5h (каталожный номер MR201260), ATP5c1 (каталожный номер MR204152) были приобретены у Origene и были помечены FLAG на С-конце.

Для конструирования векторов для нокаута MFSD7C в клеточных линиях фрагмент mCherry амплифицировали с использованием праймеров Bam HI-P2A-mCherry-F и mCherry-WRPE-R. Фрагмент WRPE амплифицировали с праймерами mCherry-WRPE-F и PmeI-R. Фрагмент mCherry-WRPE амплифицировали с праймерами Bam HI-P2A-F и PmeI-R, используя смесь фрагмента mCherry и фрагмента WRPE в качестве матриц.Фрагмент mCherry-WRPE и Lenti-CRISPR-V2 ^44,45 (Addgene Каталожный № 52961) расщепляли Bam HI и PmeI и лигировали для получения Lenti-CRISPR-V2-mCherry (дополнительный рис. 3b). gRNA-1 и gRNA-2, специфичные для человеческого MFSD7C, вставляли в сайт BsmBI вектора Lenti-CRISPR-V2-mCherry. gRNA-3, специфичная для человеческого MFSD7C, была вставлена ​​в сайт BsmBI вектора Lenti-CRISPR-V2 (Addgene Catalogue No. 52961).

Для конструирования полноразмерного MFSD7C для комплемента 7CKO 4B8 клеток, 3 фрагмента MFSD7C были амплифицированы из мышиной плазмиды MFSD7C (Origene Catalogue No.MR208748) парами праймеров MFSD7C-AsiSI-F / MFSD7C-KpnI-R, MFSD7C-KpnI-F / MFSD7C-XmaI-R, MFSD7C-XmaI-F / MFSD7C-MluI-R. Три фрагмента были собраны Гибсоном в pLKO.1-GFP-P2A-MFSD7C-Myc-DDK, который был линеаризован с помощью AsiSI и MluI. Правильные конструкции (pLKO.1-GFP-P2A-FL-MFSD7C-Myc-DDK) были проверены секвенированием по Сэнгеру и использованы для фиг. 4a-f. Чтобы сконструировать делецию на N-конце MFSD7C для комплементации клеток 7CKO 4B8, 3 фрагмента MFSD7C были амплифицированы из плазмиды MFSD7C мыши (Origene Catalog No.MR208748) парами праймеров ΔNTD-MFSD7C-AsiSI-F / MFSD7C-KpnI-R, MFSD7C-KpnI-F / MFSD7C-XmaI-R, MFSD7C-XmaI-F / MFSD7C-MluI-R. Три фрагмента были собраны Гибсоном в pLKO.1-GFP-P2A-MFSD7C-Myc-DDK, который был линеаризован с помощью AsiSI и MluI. Правильные конструкции (pLKO.1-GFP-P2A-ΔN-MFSD7C-Myc-DDK) были подтверждены секвенированием по Сэнгеру и использованы для рис. 4a-f (дополнительный рис. 2a, b).

Все конечные конструкции были подтверждены секвенированием. См. Дополнительную таблицу 1 для списка праймеров и дополнительную таблицу 2 для списка плазмид, используемых в этом исследовании.

Создание лентивирусных векторов и стабильных клеточных линий

Протоколы для получения и трансдукции лентивирусов были такими, как описано ⁴⁶ (http://www.addgene.org/tools/protocols/plko/). Вкратце, плазмиды лентивектора, psPAX2 (упаковка, Addgene, каталожный номер 12260) и pMD2.G (конверт, Addgene, каталожный номер 12259) трансфицировали в клетки 293T для получения лентивирусов. Лентивирус титровали и использовали для трансдукции клеток-мишеней. Трансдуцированные клетки очищали проточной цитометрией с использованием кодируемых белков флуоресценции в лентивекторах или отбирали пуромицином с использованием гена устойчивости, кодируемого в лентивекторе.Клеточную линию альвеолярных макрофагов мышей MH-S трансдуцировали pLKO.1-GFP-P2A-Puro и pLKO.1-GFP-P2A-MFSD7C-FLAG-Myc. GFP-положительные клетки были отсортированы и размножены. Затем клеточные лизаты использовали для иммунопреципитации с последующей масс-спектрометрией.

Клетки THP-1 трансдуцировали лентивирусами, экспрессирующими mCherry, Cas9 и MFSD7C-направляющую РНК-1 или РНК-2 (дополнительные рис. 3b, d). mCherry-позитивные клетки клонировали путем сортировки отдельных клеток в 96-луночный планшет. Делецию MFSD7C в клонах определяли с помощью ПЦР-анализа с последующим секвенированием.В частности, геномная ДНК целевых областей была амплифицирована со специфическими праймерами F1 / R1, F2 / R2, F3 / R3 для секвенирования соответственно (дополнительный рис. 3d). Два клона 3D12 и 4B8, каждый из которых происходит от гРНК-1 и гРНК-2, были идентифицированы как имеющие делеции в геномной ДНК MFSD7C без детектируемого РНК-транскрипта. Чтобы гарантировать полный нокаут MFSD7C, эти клоны были подвергнуты еще одному раунду CRISPR-Cas9-опосредованного редактирования генов с использованием лентивируса, экспрессирующего ген устойчивости к пуромицину, Cas9 и мРНК-3 MFSD7C (дополнительный рис.3в, г). Клетки, устойчивые к пуромицину, снова клонировали путем сортировки отдельных клеток. Было идентифицировано всего 4 клона с геномной делецией и отсутствием детектируемой геномной ДНК и транскрипта дикого типа (дополнительный рис. 3e). Эти четыре клона вместе именуются клонами / клетками 7CKO. CRISPR-Cas9-опосредованное нацеливание MFSD7C на MCF7 и Т-клетки 293 осуществляли аналогичным образом.

Иммунопреципитация и ЖХ-МС / МС

Клеточная линия альвеолярных макрофагов мышей MH-S, которая экспрессирует MFSD7C (дополнительный рис.2c) трансдуцировали лентивирусом, экспрессирующим только GFP, или GFP плюс мышиный MFSD7C, меченный эпитопами Myc и FLAG. GFP-положительные клетки были отсортированы и размножены. Двести миллионов клеток на образец лизировали в 5 мл холодного буфера для лизиса, содержащего 20 мМ трис-HCl, pH 7,4, 150 мМ NaCl, 0,1% NP-40, 10% глицерин, ингибитор протеиназы (№ по каталогу Sigma 4693132001). и ингибиторы фосфатазы (№ по каталогу Sigma 45001) и гомогенизированные. Лизаты центрифугировали при 30000 × g в течение 10 минут, а супернатанты дополнительно центрифугировали при 30 000 × g в течение 20 минут.Прозрачные супернатанты инкубировали с магнитными шариками M2, конъюгированными с антителом против FLAG (№ по каталогу Sigma M8823), в течение 2 часов и элюировали пептидом 3 × FLAG. Элюаты инкубировали с магнитными шариками, конъюгированными с антителом против Myc (Cell Signaling Technology Catalog No. 5698) в течение 2 часов. Гранулы промывали буфером для лизиса и уравновешивали PBS. Иммунопреципитаты трижды промывали 100 мМ NH ₄ HCO ₃ . Белки восстанавливали (10 мМ дитиотреитол, 56 ° C в течение 45 минут) и алкилировали (50 мМ йодацетамид, комнатная температура в темноте в течение 1 часа).Затем белки расщепляли трипсином (степень для секвенирования, Promega) при соотношении фермент / субстрат 1:50 при комнатной температуре в течение ночи в 100 мМ ацетате аммония, pH 8,9. Активность трипсина гасили добавлением муравьиной кислоты до конечной концентрации 5%. Пептиды обессоливали с использованием наконечников C18 SpinTips (Protea), затем лиофилизировали и хранили при -80 ° C.

Пептиды загружали в предварительную колонку и разделяли с помощью ВЭЖХ с обращенной фазой (Thermo Easy nLC1000) в градиенте 140 мин перед наноэлектрораспылением с использованием масс-спектрометра QExactive (Thermo).Масс-спектрометр работал в режиме зависимости от данных. Параметры для МС полного сканирования были: разрешение 70 000 по 350–2000 m / z , AGC 3e ⁶ и максимальное IT 50 мс. За полным МС-сканированием следовала МС / МС для 10 верхних ионов-предшественников в каждом цикле с NCE 28 и динамическим исключением 30 с. Файлы необработанных масс-спектральных данных (.raw) просматривали с использованием Proteome Discoverer (Thermo) и Mascot версии 2.4.1 (Matrix Science). Параметры поиска талисмана были следующими: допуск по массе 10 ppm для ионов-предшественников; 0.8 Да для толерантности по массе фрагментных ионов; 2 пропущенных расщепления трипсина; фиксированной модификацией было карбамидометилирование цистеина; вариабельной модификацией было окисление метионина. В анализ данных были включены только пептиды с оценкой Mascot более или равной 25 и помехой изоляции менее или равной 30. Потенциально взаимодействующие белки идентифицируются в экспериментальном образце после удаления белков из контрольного образца и обычных загрязняющих белков.

Данные масс-спектрометрической протеомики были депонированы в Консорциум ProteomeXchange через партнерский репозиторий PRIDE ⁴⁷ с идентификатором набора данных PXD021016.

Котрансфекция и иммунопреципитация

Для ко-IP, HA-меченый MFSD7C был котрансфицирован с FLAG-меченным HMOX1 (Origene Каталожный номер MR203944), CYC1, COX4I1, NDUFA4, ATP5h, ATP5c1 с использованием TransIT® клеток 293FT. -LT1 Реагент для трансфекции (Mirus). Через тридцать шесть часов после трансфекции клетки лизировали с использованием холодного буфера для лизиса, содержащего 20 мМ трис-HCl (pH 7,4), 150 мМ NaCl, 0,1% NP-40, 10% глицерин, ингибитор протеиназы (Sigma Catalog No. 4693132001), и ингибиторы фосфатазы (Sigma Catalog No.45001). Прозрачные супернатанты лизата инкубировали с M2-мангнетическими шариками, конъюгированными с антителом против FLAG (Sigma № по каталогу M8823) в течение 2 часов при 4 ° C. Затем шарики дважды промывали и элюировали пептидами 3 × FLAG (каталожный номер Sigma F4799).

Чтобы определить влияние гема на взаимодействия MFSD7C с компонентами ETC, HMOX1 или SERCA2b, клетки 293FT временно трансфицировали HA-меченым мышиным MFSD7C и FLAG-меченным мышиным SERYC1, NDUFA4, COX4i1, ATP5h, HMOX1 или ATP5c1 или ATP5h, HMOX1 или ATP5c1.Спустя 35 часов котрансфицированные клетки инкубировали с ДМСО (носитель) или 10 мкМ или 40 мкМ гема в течение 1 часа перед лизисом. Лизаты клеток осаждали антителом против HA, элюировали пептидом HA, затем осаждали антителом против FLAG, элюировали пептидом FLAG и затем подвергали вестерн-блоттингу с антителами против HA и против FLAG. Клетки обрабатывали ингибитором протеасом MG132 для ко-IP между MFSD7C и SERCA2b.

Экстракция эндогенного белка

Клетки THP-1 лизировали в буфере RIPA (25 мМ Трис • HCl, pH 7.4, 150 мМ NaCl, 1% NP-40, 1% дезоксихолат натрия, 0,1% SDS) с ингибиторами протеиназ и фосфатаз (Sigma Каталожные № 4693132001 и 45001). Прозрачные супернатанты использовали для вестерн-блоттинга ⁴⁸ .

Визуализирующий анализ локализации MFSD7C

Для локализации MFSD7C клетки 293FT, сверхэкспрессирующие GFP-tag или mCherry-tag-MFSD7C, выращивали на покровных стеклах в тканевой культуре и окрашивали на митохондрии с использованием 100 нМ MitoTracker® Deep Red FM (Thermo-Fisher Catalog Нет.M22426) в течение 20 минут в бессывороточной среде согласно протоколу производителя. Клетки фиксировали с помощью 3,5% параформальдегида (в 1 × PBS, pH 6,7) в течение 10 мин и пермеабилизировали 0,5% Triton-X в 1 × TBS-BSA (10 мМ Tris HCl pH 7,5, 150 мМ NaCl, 1% BSA, 0,1 % NaN ₃ ) еще 10 мин. Анти-человеческий HLA-A, B, C (Biolegend W6 / 32) добавляли в разведении 1: 1000 в 1 × TBS-BSA + 0,1% Triton-X в течение 1 часа при комнатной температуре. Антимышиное соединение Alexa 647 (Life Technologies, каталожный номер A31571) в разведении 1: 2000 добавляли к DAPI в 1 × TBS-BSA и инкубировали с клетками в течение 1 часа.

Покровные стекла прикрепляли к предметным стеклам, используя ProLong® Diamond Antifade Mountant с DAPI (Thermo-Fisher, каталожный № P36962), и получали изображения с помощью сверхбыстрого спектрального сканирующего конфокального микроскопа Nikon A1R с использованием программного обеспечения Elements. Изображения были взяты в виде z-стопок по 0,2 мкм и сглажены с использованием функции максимальной проекции в ImageJ.

Измерения OCR, ECAR и MMP

Скорость потребления кислорода (OCR) и скорость внеклеточного закисления (ECAR) измеряли с использованием анализатора внеклеточного потока XF96e Seahorse в соответствии с протоколом производителя.Для увеличения адгезии суспензионных клеток планшеты с морским коньком покрывали Corning® Cell TAK (№ по каталогу 354240). Затем клетки THP-1 и 7CKO прикрепляли к планшету в соответствии с инструкциями производителя. Клетки инкубировали в полной среде RPMI с 40 мкМ гема или без него. Изменения потребления кислорода измеряли после обработки олигомицином (5 мкМ), FCCP (2 мкМ) и ротеноном (1 мкМ) плюс антимицин A (1 мкМ). Для BMDM 5 × 10 ⁵ клеток / лунку высевали в 100 мкл среды BMDM за 24 ч до начала анализа.Для измерений OCR среду BMDM заменяли 180 мкл базовой среды Seahorse XF с добавлением 10 мМ D-глюкозы, 1 мМ пирувата натрия и 1 мМ L-глутамина. Для измерений ECAR среду BMDM заменяли 180 мкл среды Seahorse XF RPMI pH 7,4 с добавлением 2 мМ L-глутамина. Стресс-тест гликолиза проводили с использованием D-глюкозы, ротенона / антимицина A и 2-дезокси-D-глюкозы в конечных концентрациях 10 мМ, 0,5 мкМ и 50 мМ соответственно.

Потенциал митохондриальной мембраны измеряли с помощью набора Abcam (Кат.ab113852). Вкратце, клетки BMDM, THP-1 и 7CKO не обрабатывали или не обрабатывали 40 мкМ гема в течение 1 часа. Клетки инкубировали с индикатором потенциала митохондриальной мембраны, 200 нМ TMRE (тетраметилродамин, этиловый эфир) в течение 20 мин. Среднюю интенсивность флуоресценции TMRE определяли методом проточной цитометрии.

Измерение клеточного энергетического заряда (отношение АТФ / АДФ)

Отношение АТФ / АДФ измеряли с использованием набора для анализа ADP (Sigma № по каталогу MAK133-1KT) в соответствии с протоколом производителя.Для клеток THP-1 за 24 ч до эксперимента клетки ресуспендировали в свежей полной среде RPMI. Для обработки гема 1 мл обработанной клеточной суспензии инкубировали в течение 1 ч при 37 ° C в инкубаторе для культур клеток, затем центрифугировали и ресуспендировали в 1 мл свежей теплой полной среды RPMI, чтобы смыть избыток гема, который мешает анализу. Десять микролитров клеточной суспензии на лунку (всего примерно 10000 клеток) помещали в белый 96-луночный планшет, лизировали 90 мкл АТФ-буфера и инкубировали при осторожном встряхивании при комнатной температуре в течение 10 мин.Относительное количество АТФ измеряли непосредственно с помощью люминесценции. Затем в каждую лунку добавляли 5 мкл смеси фермента АДФ и планшет инкубировали при легком встряхивании в течение 3 минут. Относительное количество АДФ + АТФ измеряли с помощью люминесценции. Количество АДФ рассчитывали путем вычитания сигнала АТФ из сигнала АДФ + АТФ. Чтобы получить соотношение АТФ / АДФ, сигнал АТФ делили на рассчитанный сигнал АДФ. Для BMDM анализ выполняли по тому же протоколу, но с использованием 20000 клеток на лунку.

В качестве альтернативы уровни АТФ, АДФ и АМФ были измерены с помощью целевого метаболомного анализа в центре профилирования метаболитов Института Уайтхеда.Вкратце, 100000 клеток (родительские клетки THP-1 и клон 7CKO B11, по 3 независимых эксперимента) центрифугировали и ресуспендировали в 500 мкл холодного 0,9% NaCl. Метаболиты экстрагировали добавлением 600 мкл холодного метанола для ЖХ / МС, содержащего внутренние стандарты, и смесь встряхивали в течение 2 мин. Затем в каждую пробирку добавляли 300 мкл воды класса ЖХ / МС, а затем 400 мкл холодного хлороформа. Смесь снова встряхивали в холодной комнате и затем вращали при 16000 × g в микроцентрифуге.Верхний слой, содержащий полярные метаболиты, переносили в чистую пробирку, и образец сушили с помощью спидвака. Жидкостную хроматографию сверхвысокого давления выполняли с использованием колонки pHILIC на Dionex UltiMate 3000, а масс-спектрометрию проводили с использованием инструментов Thermo Scientific QExactive Orbitrap.

Синтез флуоресцентного полимерного термометра

4-N, N-диметиламиносульфонил-7-фтор-2,1,3-бензоксадиазол (DBD-F) был приобретен у TCI Chemicals. N-н-пропилакриламид (NNPAM) и N-этилакриламид (NEAM) были приобретены у AstaTech.N, N’-диметилэтилендиамин, акрилоилхлорид, триэтиламин (TEA), (3-акриламидопропил) триметиламмонийхлорид (APTMA Cl), азобисизобутиронитрил (AIBN) и другие растворители были приобретены у MilliporeSigma. Все коммерческие мономеры акриламида пропускали через колонку с основным оксидом алюминия для удаления ингибиторов перед полимеризацией. Остальные реагенты использовали в том виде, в каком они были куплены.

Синтез был немного изменен по сравнению с протоколом в литературе ⁴⁹ . Вкратце, 100 мг DBD-F растворяют в 5 мл безводного ацетонитрила, затем по каплям добавляют в сосуд для перемешивания, содержащий 1.3 мл N, N’-диметилэтилендиамина. Смесь оставляли реагировать в течение 15 мин при комнатной температуре. Реакционную смесь конденсировали на роторном испарителе и очищали жидкостной хроматографией на силикагеле с использованием элюента дихлорметан: метанол от 10: 1 до 5: 1, фракции собирали и контролировали с помощью тонкослойной хроматографии. DBD-NMe (CH ₂ ) ₂ NHMe получали в виде оранжевой жидкости.

Один тридцать микрограмм DBD-NMe (CH ₂ ) ₂ NHMe растворяли в 5 мл безводного ацетонитрила, смешанного с 58 мкл TEA, и охлаждали на льду.Сорок четыре микролитра акрилоилхлорида растворяли в 8 мл безводного ацетонитрила, охлаждали на льду и затем добавляли по каплям в реакционную смесь. Реакции давали возможность протекать в течение 1,5 ч при комнатной температуре, затем конденсировали на роторном испарителе и очищали жидкостной хроматографией на силикагеле, используя элюент этилацетат: гексан 3: 1. Фракции собирали и контролировали с помощью тонкослойной хроматографии. DBD-AA получали в виде оранжевого порошка (дополнительный рис. 4а).

Синтез полимера был модифицирован в соответствии с протоколами, описанными в литературе ^23,50 .Вкратце, добавляли 4,1 мг AIBN, 20 мг DBD-AA, 41 мг APTMA Cl, 565 мг NNPAM (для флуоресцентного полимерного термометра) или 495 мг NEAM (для контрольного полимера, который не чувствителен к температуре), 5 мл DMF и мешалку. в чистую колбу Шленка. Колбу герметично закрывали и продували азотом в течение 30 минут при комнатной температуре для удаления растворенного кислорода. Затем колбу погружали в масляную баню при 60 ° C для инициирования полимеризации. Через 12 ч реакции реакционную смесь осаждали холодным этиловым эфиром (0 ° C) и повторно растворяли в ДМФА трижды, затем сушили в вакууме в течение ночи для использования (дополнительный рис.4б).

Измерения клеточного термогенеза

Для измерения клеточного термогенеза использовали три метода. В первом подходе мы использовали термопару. Три миллиона клеток THP-1 и 7CKO ресуспендировали в 100 мкл среды (RT, комнатная температура) и переносили в пробирки для ПЦР, плотно помещенные в термоизолирующий корпус. Затем скорость изменения температуры среды (ΔT _м / Δt) контролировалась в реальном времени с помощью термопар типа T (Omega, каталожный № 5SC-TT-T-3036), погруженных в жидкую среду.Аналого-цифровой преобразователь (24-битный АЦП термопары National Instruments) использовался для получения и сохранения данных термопары через пользовательский интерфейс Labview (частота дискретизации: 500 мс). Каждое измерение сравнивали со свободной жидкой средой.

Во втором подходе мы использовали флуоресцентный полимерный термометр (FPT) ²³ , который мы синтезировали самостоятельно (см. Выше). Родительские и нокаутные клетки THP-1 смешивали вместе, промывали и инкубировали с FPT в 5% -ном растворе глюкозы в течение 6 часов.Клетки дважды промывали PBS и повторно высевали в чашки со стеклянным дном, покрытым полилизином. Клетки получали с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии при 37 ° C. Альтернативно, клетки THP-1, MCF7, 293T, 7CKO, SERCA2b ^{— / —} инкубировали с FPT и контрольным полимером в течение ночи с последующей обработкой носителем или гематином в течение 1 часа. Затем интенсивность флуоресценции определяли с помощью проточного цитометра.

В третьем подходе мы использовали коммерческий клеточный флуоресцентный термозонд краситель (каталожный номер Funakoshi: FDV-0005).Вкратце, за день до анализа 2 × 10 ⁵ BMDM помещали в 48-луночный полистирольный планшет, не обработанный культурой ткани, в 200 мкл среды BMDM. Среду BMDM аспирировали, и клетки один раз промывали загрузочным раствором (5% (мас. / Об.) Водный раствор глюкозы с добавлением 10 мМ EDTA). Затем в лунку добавляли 200 мкл загрузочного раствора с добавлением 50 нг / мкл красителя Cellular Thermoprobe и загрузку красителя выполняли в инкубаторе для культивирования клеток при температуре 33 ° C, 5% CO ₂ в течение 7.5 мин, при котором одновременно производится подъем БДМ из скважины. В следующие 2,5 мин планшет вынимали из инкубатора, клетки ресуспендировали пипетированием и переносили в пробирку для ПЦР и объединяли с 22 мкл буфера 10 × PBS / DAPI. Затем смесь в пробирке для ПЦР помещали в термоциклер с заданной температурой, инкубировали в течение 5 мин и сразу же анализировали с помощью проточной цитометрии (BD LSR II). Клетки закрываются на основе размера (синглеты) и DAPI (живые клетки). Для анализа было собрано 15000 FITC-положительных клеток.Особое внимание было уделено времени, потому что загрузка клеточного термозондового красителя зависит от количества времени, в течение которого клетки инкубируются с красителем. Различные фильтры использовались для измерения нагрузки и температурной чувствительности в связи со свойствами красителя Cellular Thermoprobe Dye. Для измерений нагрузки использовали возбуждение при 488 нм с фильтром эмиссии 515/20, в то время как термочувствительный анализ выполняли с использованием возбуждения на 488 нм с фильтром эмиссии 530/30.

Получение

Mfsd7c мутантных мышей

Клон C57BL / 6 N ES-клеток с флоксованным экзоном 2 Mfsd7c был приобретен в EuMMCR (Европейский репозиторий мутантных клеток мышей, идентификатор клона ES-клеток: HEPD0572_8_F01).Клетки ES трансфицировали плазмидами, кодирующими FLP, для удаления кассеты устойчивости к неомицину. Чувствительные к G418 ES клетки с должным образом флоксированным экзоном 2 Mfsd7c были подтверждены с помощью ПЦР и секвенирования по Сэнгеру. Клетки ES вводили в бластоцисты, а затем переносили псевдобеременным мышам в Биотехнологическом центре Свансона Института Коха. Мутантных мышей по зародышевой линии идентифицировали на основе цвета шерсти, и мышей Mfsd7c ^{wt / fl} скрещивали с получением гомозиготных мышей Mfsd7c ^{fl / fl} . Mfsd7c ^{fl / fl} мышей скрещивали с мышами LysM-Cre (лаборатория Джексона, инвентарный номер: 004781) для получения миелоид-специфичного нокаута Mfsd7c . Мышей содержали в помещении для животных Массачусетского технологического института (MIT). Все исследования и процедуры на животных проводились в соответствии с федеральными, государственными и местными руководящими принципами в соответствии с протоколом, одобренным IACUC Комитетом по уходу за животными Массачусетского технологического института.

Экстракция геномной ДНК мыши, генотипирование и кПЦР

Небольшой кусок хвоста мыши отрезали ножницами и помещали в 500 мкл буфера для экстракции геномной ДНК (100 мМ трис-HCl, pH 8.0, 200 мМ NaCl, 5 мМ EDTA, 0,2% SDS, 0,5 мг / мл протеиназы K) и расщепляли в течение ночи при 55 ° C. Переваренную ткань центрифугировали при 13000 × g в течение 5 минут, и очищенный супернатант переносили в свежую пробирку на 1,5 мл. Геномную ДНК осаждали из супернатанта изопропанолом (50% об. / Об.) И центрифугировали при 13000 × g в течение 2 минут. Супернатант отбрасывали, а осадок промывали 1 мл 70% этанола. Этанол удаляли и осадок оставляли сушиться при комнатной температуре в течение 5 минут.ДНК ресуспендировали в 200 мкл свободной от нуклеаз ddH ₂ О. Геномную ДНК из макрофагов, полученных из костного мозга, выделяли из 5 × 10 ⁵ клеток с использованием того же протокола. Набор праймеров №1 и №2 использовали для генотипирования аллелей дикого типа, флоксованных и удаленных аллелей, а праймеры LysM-Cre использовали для обнаружения присутствия рекомбиназы Cre (см. Дополнительную таблицу 1 для последовательностей праймеров).

Для анализа кПЦР 10 ⁶ макрофагов, полученных из костного мозга, промывали PBS, лизировали в буфере RLT (Qiagen) и быстро замораживали в жидком азоте.После оттаивания на льду и многократного прохождения через иглу 27 G РНК выделяли с помощью набора Qiagen RNEasy Mini. кДНК синтезировали с использованием Superscript IV (Invitrogen) и случайных гексамеров с последующим удалением РНК с использованием РНКазы H E.coli в течение 20 мин при 37 ° C. кДНК разводили в десять раз, и кПЦР выполняли в трех экземплярах с использованием 4 мкл разведенной кДНК, 0,5 мкл 5 мкМ прямого праймера, 0,5 мкл 5 мкМ обратного праймера и 5 мкл 2 × SYBR Green Master Mix (Roche) на лунку в 96-луночном планшете. (Последовательности праймеров см. в дополнительной таблице 1).Был использован прибор Roche Lightcycler 480 для измерения амплификации в течение 45 циклов с использованием протокола SYBR Green компании Roche, после чего были оценены и количественно определены температуры плавления и точки пересечения.

Дифференциация макрофагов, происходящих из костного мозга (BMDM)

Mfsd7c ^{fl / fl} и Mfsd7c ^{— / —} ( Mfsd7c ^{fl / flys + / +} ) Мышей C57BL / 6 J умерщвляли с применением асфиксии CO ₂ .Бедренные кости были удалены и очищены, а костный мозг промыт 5 мл холодной среды DMEM. Клетки костного мозга собирали центрифугированием (1200 × г, в течение 5 мин при 4 ° C) и ресуспендировали в 4 мл буфера для лизиса ACK. После инкубации при комнатной температуре в течение 5 минут, буфер ACK нейтрализовали добавлением 11 мл холодной среды DMEM, и суспензию клеток центрифугировали при 1200 × g в течение 5 минут при 4 ° C. Клетки ресуспендировали в среде DMEM, содержащей 10% FBS, 20% среду, кондиционированную L929, 2 мМ L-глутамин, 2 мМ пируват, заменимые аминокислоты (100 мкМ каждая), 0.55 мМ 2-меркаптоэтанол, пенициллин / стрептомицин) пропускали через 40 мкм фильтр для клеток Falcon (VWR) для удаления крупных агрегатов и подсчитывали. Клетки костного мозга высевали в 10-сантиметровые планшеты, не обработанные культурой ткани, по 10 миллионов клеток на планшет в 10 мл среды BMDM. Два дня спустя были добавлены дополнительные 10 мл среды BMDM. На 4-й и 6-й день старую среду удаляли и добавляли 10 мл свежей среды. На 7 день полностью дифференцированный BMDM поднимали в фосфатно-солевом буфере с добавлением 10 мМ EDTA в течение 5 минут при 37 ° C, центрифугировали и ресуспендировали в среде BMDM до надлежащей плотности для дальнейших экспериментов.