Апоптоз

АПОПТОЗ

Авторы: В.Б. Черняк, В.П. Скулачёв

АПОПТОЗ (от греч. ἀ π ό πτωσις - опадение), процесс саморазрушения клеток по генетически детерминированной программе в ответ на определённые внешние или внутр. стимулы; один из видов запрограммированной гибели клеток (ЗГК). В отличие от случайной гибели клеток при повреждении, А. - нормальный физиологич. процесс. Иные формы ЗГК встречаются намного реже и изучены значительно хуже, чем А., поэтому термины «А.» и «ЗГК» часто используются как синонимы. А. характерен для всех многоклеточных эукариот. ЗГК с рядом признаков А. наблюдается также у дрожжей, где она играет роль в поддержании равновесия в популяции клеток. В большинстве случаев А. служит проявлением т. н. самурайского закона биологии («лучше умереть, чем ошибиться»). Согласно этому закону, живая система обладает механизмами самоликвидации, которые включаются, если она не справляется со своей функцией и оказывается нежелательной для систем с более высоким положением в биологич. иерархии. Явления запрограммированной гибели описаны также для митохондрий (митоптоз), групп клеток и органов (органоптоз) и целого организма (феноптоз). ЗГК хорошо известна в биологии как один из механизмов эмбрионального развития (напр., отмирание хвоста у головастика, ранние этапы формирования пальцев у эмбриона позвоночных). Концепция А. как общей биологич. программы сформулирована англ. учёными Дж. Керром, А. Вилли и А. Кьюрри в 1972. Они же предложили и сам термин. Уравновешивая деление клеток (митоз), А. участвует в поддержании гомеостаза организма. Играет центр. роль в иммунных процессах, обеспечивая, в частности, гибель незрелых Т-лимфоцитов, реагирующих на «cвои» антигены, и формирование разнообразия В-лимфоцитов. Выключение программы А. ведёт к развитию рака и аутоиммунных заболеваний. Защитная функция А. проявляется в самоуничтожении клеток, повреждённых стрессами или заражённых вирусами. Этот механизм направлен на предотвращение развития инфекции, образования генетически изменённых клеток и клеток, образующих токсичные для организма вещества. У высших растений гибель клеток, окружающих заражённый участок (т. н. гиперчувствительный ответ), является осн. механизмом защиты от инфекции. Избыточный А. клеток вокруг повреждённых участков ткани ведёт к развитию ишемич. нарушений в сердце (инфаркт) и в мозге (инсульт), а также к посттравматическим повреждениям позвоночника. А. нервных клеток определяет развитие нейродегенеративных заболеваний (болезни Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона), а А. лимфоцитов, по-видимому, лежит в основе развития СПИДа. Осн. морфологич. признаками А. являются округление и сжатие клетки, приводящие к её отделению от ткани, образование короткоживущих вздутий («блеббов») на её поверхности, сжатие и фрагментация ядра и, наконец, распад на окружённые мембраной фрагменты - апоптозные тельца. Один из ранних признаков А. - появление на поверхности клетки фосфатидилсерина - фосфолипида, который в норме находится на внутренней поверхности клеточной мембраны. Это служит сигналом для макрофагов и др. фагоцитирующих клеток, которые поглощают апоптозные клетки и тельца, не позволяя их содержимому выйти в окружающую среду и вызвать воспалит. реакцию. Важнейшие отличит. признаки А. - конденсация хроматина (ядерного комплекса ДНК и белков) и последовательная упорядоченная фрагментация ДНК при участии ферментов - ядерных эндонуклеаз, которые активируются при А. и последовательно расщепляют хромосомную ДНК на фрагменты до 200 пар нуклеотидов. Изучение А. у нематоды и у др. эукариот позволило идентифицировать гены, контролирующие эту программу. Один из них кодирует специфич. протеазу, гомологи которой (каспазы) составляют целое семейство (известно 12) у высших эукариот. Расщепляя и активируя друг друга в ходе каскада реакций, каспазы усиливают первонач. сигнал и обеспечивают разрушение клетки. Сигнал к запуску А. может поступить клетке извне от специфических рецепторов некоторых цитокинов (напр., фактора некроза опухолей) или от внутриклеточных систем (напр., при репликации ДНК, секреции белков и др.) при нарушении их функционирования. В обоих случаях передача сигнала А. требует дополнит. механизмов усиления, которые обеспечиваются др. белками, принадлежащими к т. н. семейству Bcl-2. Их активация сопровождается выходом в цитоплазму белков из межмембранного пространства митохондрий, в т. ч. цитохрома c, участвующего в клеточном дыхании. При его связывании в цитоплазме с адапторным белком Apaf-1 образуется гигантский комплекс - апоптосома, в котором происходит активация одной из каспаз. Наряду с цитохромом c из митохондрий выходит белок AIF, вызывающий независимую от каспаз фрагментацию ДНК и гибель клетки, а также неск. др. белков, усиливающих апоптоз. Важную роль в механизме А. играют ионы Ca 2 +, церамид (продукт гидролиза сфинголипидов) и активные формы кислорода (АФК). При повышении их концентрации в цитоплазме запускаются и усиливаются сигнальные механизмы А. Долгоживущие АФК (напр., пероксид водорода) участвуют также в межклеточной передаче сигнала апоптоза. В семейство Bcl-2 входят также белки, блокирующие выход цитохрома c из митохондрий и ингибирующие А. Др. семейство белков (IAP) включает ингибиторы каспаз, блокирующие А. на завершающих стадиях. Активация антиапоптозных белков (наряду с инактивацией проапоптозных, таких, как белок р53) характерна для мн. типов опухолей, что обеспечивает бесконтрольное размножение раковых клеток и их повышенную устойчивость к химио- и радиотерапии.

Литература Лит.: Самуилов В. Д., Олескин А. В., Лагунова Е.М. Программируемая клеточная смерть // Биохимия. 2000. Т. 65. № 8; Strasser A., O’Connor L., Dixit V. M. Apoptosis signaling // Annual Review of Biochemistry. 2000. Vol. 69. № 7; Apoptosis: the molecular biology of programmed cell death. N. Y., 2002; When cells die II: a comprehensive evaluation of apoptosis and programmed cell death. Hoboken, 2003; Danial N. N., Korsmeyer S. J. Cell death: critical control points // Cell. 2004. Vol. 116. № 2. Processing math: 100%

Источники: [ БРЭ ] [ P ] [ B ] и дополнительная информация: [ W ] [ G ] [ Y ]

Биоэнергетика

БИОЭНЕРГЕТИКА

Авторы: В.П. Скулачёв, Ф.О. Каспаринский

БИОЭНЕРГЕТИКА (биологическая энергетика), совокупность процессов преобразования энергии, поступающей извне, в биологически полезную работу живых систем, а также раздел биологии, изучающий эти процессы.

Историческая справка

Истоки Б. как науки можно обнаружить ещё в рассуждениях древних о природе брожения и роли воздуха при использовании пищи живыми организмами. Леонардо да Винчи сравнил питание животных с горением свечи. Эта идея была развита в опытах с растениями Я.Б. Гельмонтом. Первые фундам. исследования в области Б. были проведены Ю.Р. Майером (1842), который в результате изучения энергетич. процессов в организме человека сформулировал первое начало термодинамики. Исследования процессов превращения энергии в клетке начались в 1930-х гг., когда была обнаружена этерификация неорганич. фосфата в ходе брожения (нем. биохимики Г. Эмбден и О. Мейергоф, 1933) и дыхания (рос. биохимики В.А. Энгельгардт, 1930, и В.А. Белицер (1939), амер. биохимик Г. Калькар, 1937-41) и выделены биологич. аккумуляторы энергии - аденозинтрифосфат (АТФ) и креатинфосфат. Большой вклад в понимание механизмов клеточной Б. внесли О.Г. Варбург, амер. биохимик А. Ленинджер и П. Митчелл. Термин «Б.» был предложен А. Сент-Дьёрдьи в 1956 и получил офиц. признание науч. сообщества в 1968. Через 20 лет началось стихийное использование термина экстрасенсами, парапсихологами и целителями. В паранаучной Б. философские понятия энергии (прана, ци и т. п.) при помощи терминологии физики и биологии трансформируются в фантастические гипотезы биоэнергоинформационного взаимодействия природных процессов, черпающих энергию из физического вакуума. В действительности превращения энергии в живых системах подчиняются законам термодинамики. Живые организмы - открытые системы, постоянно обменивающиеся с внешней средой веществом, энергией и информацией.

Источники энергии для организмов

Осн. источником энергии для автотрофных организмов является энергия солнечного света, которая усваивается ими в ходе фотосинтеза и запасается гл. обр. в виде восстановленных органич. соединений. Гетеротрофные организмы извлекают необходимую для них энергию из органич. веществ пищи. И у авто-, и у гетеротрофов органич. вещества вовлекаются в обмен веществ (метаболизм), который складывается из двух взаимосвязанных процессов - катаболизма и анаболизма. В ходе катаболических превращений происходит гидролиз и окисление органич. соединений с одновременным выделением энергии. Анаболические превращения, напротив, связаны с биосинтезом высокомолекулярных соединений организма (в т. ч. белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов) из более простых и сопровождаются потреблением энергии. У многоклеточных гетеротрофов для долговременного хранения в качестве потенциальных источников энергии используются полимерные углеводы (крахмал у растений, гликоген у животных и грибов), липиды (масл a ́ у бактерий, растений и грибов, жиры у животных), белки (вителлин ооцитов и др.) и полифосфаты (у бактерий и грибов). Углеводы отличает высокая скорость мобилизации, а липиды - наибольшая энергоёмкость. Периоды огранич. доступности внешних ресурсов мн. организмы способны переносить в состоянии анабиоза или спячки, когда обменные процессы резко заторможены. Направления метаболич. реакций и величина максимально полезной работы определяются изменениями доступной свободной энергии, или энергии Гиббса (СЭ). В подавляющем большинстве случаев запасание СЭ связано с переходом одного или двух электронов от вещества-донора к веществу-акцептору (с более высоким сродством к электронам); при этом донор окисляется, а акцептор восстанавливается. Первичными донорами электронов у литотрофов служат неорганич. соединения (сера, двухвалентное железо, аммиак и его соли, нитриты, водород и оксид углерода), а у органотрофов - органич. вещества (белки, углеводы, липиды и продукты их частичного расщепления). Акцептором электронов у аэробных организмов является кислород, а у анаэробных - нитраты, нитриты, сульфаты, диоксид углерода и некоторые органич. вещества. Организмы, способные утилизировать энергию света (фототрофы) восстанавливают молекулы акцепторов электронами, полученными от таких слабых восстановителей, как сероводород и вода, за счёт энергии квантов света. Количественная оценка сродства веществ к электронам определяется стандартными окислительно-восстановительными потенциалами (редокс-потенциалами), исчисляемыми в вольтах. Значения редокс-потенциалов веществ, участвующих в Б., находятся в пределах от -0,7 В (α -кетоглутарат) до 0,8 В (кислород). Доноры имеют более отрицательный редокс-потенциал, чем акцепторы. Для получения и последующего запасания СЭ используется любая донорно-акцепторная пара, обеспечивающая разницу редокс-потенциалов не менее 0,2 В, что позволяет преобразовать СЭ разнообразных соединений в унифициров. форму осн. внутриклеточного аккумулятора энергии - АТФ.

Механизмы усвоения и использования энергии в организмах

Наряду с самовоспроизведением энергообеспечение является одним из осн. свойств жизни. Вероятно, эволюция механизмов Б. была направлена на увеличение не столько эффективности, сколько надёжности энергообеспечения. Поэтому живые системы в ходе их историч. развития стали использовать энергию химич. связей, света и ионных градиентов, а не воспользовались атомными, тепловыми или механич. источниками энергии. В ходе эволюции организмов появляются спец. молекулярные механизмы, обеспечивающие наиболее безопасное и эффективное преобразование СЭ, при котором посредниками между донорами и акцепторами служат ферменты класса оксидоредуктаз. Для переноса восстановительных эквивалентов (атомов водорода или электронов) оксидоредуктазы используют небелковые компоненты (кофакторы и простетические группы): никотиновые и флавиновые нуклеотиды, хиноны, металлопорфирины и железосерные кластеры. Элементы электрон-транспортных цепей располагаются в порядке возрастания сродства к электрону. Перенос восстановит. эквивалентов в растворах осуществляют никотинамидные коферменты, структура которых препятствует их прямому окислению кислородом. В катаболических превращениях в осн. участвует никотинамидадениндинуклеотид (НАД +), а в реакциях анаболизма - его фосфорилированный аналог (НАДФ +). Живая клетка избегает прямого преобразования внешних источников энергии для совершения полезной работы. Эта энергия сначала трансформируется в ту или иную взаимно конвертируемую форму: АТФ или трансмембранную разность электрохимических потенциалов либо ионов H + (протонный потенциал, Δ µ H +), либо ионов Na + (натриевый потенциал, Δ µ Na +), чтобы затем использоваться в энергоёмких процессах. Любая живая клетка располагает по меньшей мере двумя промежуточными носителями энергии - АТФ и протонным (либо натриевым) потенциалом. В физиологич. условиях структура АТФ обеспечивает сочетание высокого потенциала переноса каждой из двух концевых фосфорильных групп (термодинамич. нестабильность) с кинетич. устойчивостью (при темп-ре тела и нейтральном pH АТФ самопроизвольно не гидролизуется). Расход АТФ происходит при совершении разл. видов работы: химической (биосинтез), электрической (создание разности электрич. потенциалов на биологич. мембранах), осмотической (образование градиентов концентраций незаряженных веществ) и механической (сокращение актомиозиновых комплексов мышц). СЭ, запасённая в потенциале переноса групп АТФ (фосфорильный потенциал), при помощи спец. ферментов (нуклеозиддифосфаткиназ и нуклеозидмонофосфаткиназ) может перераспределяться между разл. нуклеозидтрифосфатами и нуклеозиддифосфатами, которые обеспечивают протекание специфич. реакций биосинтеза. Фосфорильный потенциал у большинства животных стабилизируется посредством обратимого переноса фосфорила на креатин (у некоторых ракообразных - на аргинин, у грибов - на полифосфаты). Преобразование СЭ в потенциал переноса фосфорильных групп АТФ может происходить путём субстратного или мембранного фосфорилирования. Субстратное фосфорилирование осуществляется в цитозоле в реакциях гликолиза и в матриксе митохондрий в трикарбоновых кислот цикле. У немногочисл. бактерий и архебактерий, участвующих в процессах брожения, а также у некоторых высокоспециализированных эукариотич. клеток, лишённых органелл (напр., эритроциты человека), использующих гликолиз для получения энергии, субстратное фосфорилирование - единственный способ получения энергии. Однако у подавляющего большинства бактерий, животных, растений и грибов он служит подсобным механизмом, а главную роль играет др. механизм синтеза АТФ, требующий участия мембранных структур. К нему относятся окислительное фосфорилирование, открытое В.А. Энгельгардтом (1930), и фотофосфорилирование, обнаруженное амер. биохимиком Д. Арноном (1954). В соответствии с теорией хемиосмотич. сопряжения, предложенной П. Митчеллом (1961), данные процессы происходят во внутр. мембранах бактерий, архебактерий, митохондрий и хлоропластов. В этих мембранах генераторами Δ µ H + являются дыхательные или фотосинтетич. ферменты - переносчики электронов и водорода, служащие одновременно протонными насосами, способными превращать выделяющуюся при окислении энергию в Δ µ H +. Генераторы Δ µ H + бактерий, архебактерий и митохондрий переносят H + сквозь мембрану наружу (у хлоропластов - внутрь). Перенос H + через мембрану в обратном направлении может использоваться ферментами- потребителями Δ µ H + для совершения разл. видов полезной работы: синтез АТФ, вращение жгутика бактерий, создание ионных градиентов и контролируемого термогенеза (разогревание органов животных и некоторых растений). Синтез АТФ за счёт Δ µ H + при дыхательном фосфорилировании и фотофосфорилировании катализирует фермент \ce{H^+}// -АТФ-синтаза. Реакция образования АТФ из АДФ и фосфата происходит без затраты Δ µ H + (она расходуется на вращение субъединицы фермента, обеспечивающее выход АТФ в раствор). СЭ Δ µ H + может трансформироваться в градиенты ионов Na + и K +. На клеточной мембране эукариот и мн. морских бактерий наряду с (или вместо) Δ µ H + образуется Δ µ Na +, поддерживаемый градиентами ионов калия и водорода. Генераторами Δ µ Na + являются особые дыхательные ферменты у бактерий и Na +, K + -АТФаза у животных. Окислит. фосфорилирование - один из самых масштабных процессов, протекающих в организме человека и животных. Так, взрослый человек в течение дня поглощает до 400 л O 2. В его организме содержится ок. 50 г АТФ и АДФ. Каждая молекула АТФ совершает ок. 1300 циклич. превращений (в АДФ и обратно), что в сумме может достигать 40 кг АТФ. Окислит. фосфорилированию предшествует ряд стадий подготовки «топлива», когда разл. сахара, жирные кислоты и аминокислоты расщепляются, давая ограниченный набор карбоновых кислот, которые претерпевают превращения в цикле трикарбоновых кислот. В ходе этих превращений атомы H освобождаются и передаются на НАД + (реже на НАДФ + или убихинон), а затем на ферменты-генераторы Δ µ H +, образующие дыхательную цепь. Таких генераторов в митохондриях эукариотич. клеток и большинстве аэробных бактерий три: НАДН-убихинон-редуктаза, убихинол- цитохром c -редуктаза и цитохром c -оксидаза. Последний катализирует завершающий этап клеточного дыхания - присоединение 4 электронов и 4 протонов к O 2 с образованием H 2 O. В то же время начальные и средние участки дыхательной цепи, а также некоторые др. окислительно-восстановит. ферменты способны к одно- и двухэлектронному восстановлению O 2. При этом вместо воды образуются соответственно супероксид-ион (O • _ 2) и пероксид водорода. Оба эти компонента могут служить предшественниками радикала гидроксила (HO •), сильнейшего окислителя, и потому очень токсичны. По-видимому, HO •, образуемый внутри митохондрий, играет ключевую роль в процессах запрограммированной гибели клетки (см. Апоптоз) и старения, а также в развитии инфарктов и инсультов. Поэтому поиск антиоксидантов, специфически адресованных внутрь митохондрий, остаётся одним из самых перспективных направлений фармакологии. О превращениях энергии в экосистемах см. в ст. Трофический уровень. См. также Дыхание.

Литература Лит.: Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М., 1989; Nicholls D. G., Ferguson S. J. Bioenergetics 3. Amst., 2002. Processing math: 100%