Для отделения митохондрий от гиалоплазмы служит наружная митохондриальная мембрана. Она, как правило, имеет ровные контуры и представляет собой замкнутый мембранный мешок. Между внешней и внутренней митохондриальными мембранами находится межмембранное пространство шириной около 10-20 нм.
Материал из «Знание.Вики»
Электронная микрофотография митохондрий
Митохо́ндрия — двумембранная органелла, которая преобразует энергию, получаемую из разложения различных органических соединений, в синтетическую энергию, необходимую для нормального функционирования клетки и процессов роста. Они используют аденозинтрифосфат (АТФ) и химические вещества, чтобы получить электроны, которые затем используются для восстановления энергии. Митохондрии характерны для большинства эукариотических клеток, как автотрофов (фотосинтезирующие растения), так и гетеротрофов (грибы, животные).
Биохимические процессы в митохондриях начинаются с транспорта субстратов через митохондриальную мембрану, который осуществляется с помощью транспортных белков — транслоказ, служащих переносчиками дикарбоновых кислот, АТФ и AДФ. Основные субстраты митохондрий — пируват и жирные кислоты, которые транспортируются с помощью карнитин-пальмитоил-трансферазы и карнитина.
Утилизация жирных кислот происходит в процессе β-окисления, а центральный путь утилизации углеродсодержащих молекул осуществляется через цикл Кребса. В результате этого цикла также образуются молекулы никотинамидадениндинуклеотидов (НАД) и флавинадениндинуклеотидов (ФАД), передающие свои электроны в дыхательную цепь митохондрий. Дыхательная цепь митохондрий состоит из пяти мультиферментных комплексов, которые находятся под генетическим контролем как митохондриального, так и ядерного генома.
Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Тело человека состоит из более ста триллионов живых клеток. Для сравнения: в пачке гречки 50 тысяч зернышек, а на дереве 200 тысяч листьев. Большая часть из наших клеток постоянно делится. От роста волос и ногтей до заживления царапины — в основе всех этих процессов лежит деление клеток. С другой стороны, некоторые клетки совсем не делятся. И вот, в начале XXI века были открыты новые регуляторные молекулы — циклины и циклинзависимые киназы. Но несмотря на то, что тема циклинов достаточно молода, она в то же время и достаточно актуальна, как в медицине, так и в клеточной биологии. Только за последние пять лет (с 2018 по 2023 годы) про циклины написано около 20 000 статей! И это нормально. Человека всегда интересует что-нибудь, с чем он никогда не сталкивался. Ведь Нобелевскую премию за открытие циклинов вручили совсем недавно — в 2001 году. Самое удивительное, что эти молекулы регулируют большинство процессов в клетке. Деление, окисление глюкозы, дифференцировка клетки (приобретение «профессии»), ее движение в пространстве и так далее — на все эти процессы так или иначе влияют циклины. Но давайте обо всем по порядку.
Начнем с небольшой истории вопроса. Хоть эта статья и посвящена циклинам, первопричиной всех этих исследований стало открытие Вальтером Флеммингом в 1880-х — 1890-х годах митоза (о видах деления клеток поговорим чуть позже). Однако молекулярные механизмы клеточного цикла были неизвестны вплоть до начала 1970-х годов. Деление клетки (как его описал Флемминг) воспринимали как данность, так как не могли изучить этот процесс более детально. Многим казалось, что все просто — клетки делятся пополам, и все, но нет! Некоторые клетки ни с того ни с сего перестают делиться (выходят в фазу покоя), а другие и вовсе погибают в середине цикла. Помимо этого, ученые открыли, что периодически клетки «останавливаются» (замедляют абсолютно все процессы) и «проверяют», все ли в порядке у них внутри. Если есть какие-то ошибки, их устраняют специальные белки, но если клетка не может «починиться», то она запускает механизм самоликвидации. Это и интересовало биологов — как клетки контролируют сами себя?
Подбираться к циклинам люди начали еще в XX веке. Но лишь трое ученых ухватили циклины «за хвост» и тем самым смогли найти ответы на интересующие многих вопросы о биологии клеток. В 2001 году сразу трем ученым присудили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Эти люди совершили поистине фундаментальное открытие — описали факторы, регулирующие протекание всего клеточного цикла. Лауреатами премии стали (рис. 1):
Рисунок 1. Нобелевские лауреаты, открывшие циклины. Слева направо — Лиланд Хартуэлл, Пол Нерс, Тимоти Хант.
Пионером в исследовании клеточного цикла на молекулярном уровне стал Лиланд Хартуэлл. Он выделил группу генов (около ста) в обычных пекарских дрожжах (Saccharomyces cerevisiae), которые были активны в разные периоды клеточного цикла. Он предположил, что эти участки ДНК кодируют какие-то белки, которые и регулируют эти фазы. Оказалось, что в начале каждого цикла активировался определенный ген (СВС-28). Он, как человек на старте гоночного трека, взмахивал фагом и давал клетке команду начать копирование ДНК для нового деления.
Лиланд Хартуэлл также обратил внимание на однонаправленность клеточного цикла: последующая стадия никогда не начинается, пока не завершена предшествующая. Изучив вопрос, он разработал теорию контрольных точек (checkpoint). Дело в том, что деление эукариотической клетки — это сложный и динамичный процесс, за которым необходимо постоянно следить. Поэтому эукариоты развили у себя систему регуляторных белков для контроля клеточного цикла. Эта система определяет, сколько времени клетка должна находиться в той или иной фазе. Помимо этого, система контроля реагирует на информацию о внешней среде и о процессах внутри клетки. Так вот, чекпоинты находятся на границах фаз (вообще их, конечно, больше, но основными считаются эти). Они проверяют «правильность» протекания процессов в клетке, и, если что-то пошло не так, останавливают клеточный цикл и дают клетке время на исправление ошибок. Лиланд Хартуэлл совершил это открытие, изучая чувствительность дрожжей к облучению и выяснил, что периодически клеточный цикл приостанавливается. Он связал это с повреждением ДНК из-за облучения и сделал предположение — клетка останавливается для того, чтобы восстановить порядок.
Параллельно эксперименты с дрожжами проводил другой ученый — Пол Нерс. Он использовал другую разновидность этих грибов — Schizosaccharomyces pombe (а не Saccharomyces cerevisiae, как Хартуэлл). Они — отдаленные родственники пекарских дрожжей. Применяя генетический подход, разработанный Хартуэллом, Нерс установил, что ген, выполняющий функцию стартового, кодирует фермент из семейства циклинзависимых киназ (Cdk) — так их назовут позже. Этот фермент как бы ведет клетку по клеточному циклу, стимулируя химическую модификацию других белков. В 1987 году Нерс выделил соответствующий белок в клетках человека.
Но все-таки существовал вопрос — как контролируются эти ферменты? Ответом стал результат работы Тима Ханта, а именно — открытие циклинов, нового класса белков. В интервью для The Life Scientific (эфир от 13.12.2011), которое вел Джим Аль-Халили, профессор Хант объяснил, что название «циклин» было первоначально придумано в честь его увлечения велоспортом. Только после присвоения названия выяснилось, что концентрация белков циклически меняется в клетке, по мере течения клеточного цикла, поэтому название прижилось.
Название «циклин» закрепилось потому, что концентрация этих веществ периодически изменяется в зависимости от стадии клеточного цикла, в частности, падает перед началом деления клетки и возрастает после. Хант обнаружил первый циклин в начале 1980-х годов, во время опытов с икрой лягушек и морских ежей. Позднее циклины были найдены и в других живых существах, и оказалось, что эти белки мало изменились в ходе эволюции. Циклины регулируют активность Cdk, которые непосредственно участвуют в химических реакциях, ускоряя или замедляя их. Циклины же включают или выключают сами Cdk. Циклины и Cdk можно сравнить с оператором и панелью тумблеров. Операторы (циклины) переключают тумблеры (Cdk) на пульте управления, направляя клетку в нужное русло клеточного цикла.
Цикл трикарбоновых кислот
Цикл трикарбоновых кислот включает 8 основных стадий, которые подробно рассматриваются ниже.
Первой реакцией цикла является необратимая конденсация ацетил-КоА с оксалоацетатом с образованием цитрата, катализируемая ферментом цитратсинтазой (реакция 1 на общей схеме):
Открытая форма цитратсинтазы
Закрытая форма цитратсинтазы
Ниже представлена схема, иллюстрирующая, как железосерный кластер аконитазы связывает изоцитрат и преобразует его в цис-аконитат:
Ниже подробно рассмотрены эти превращения (реакции 4 и 5 на общей схеме):
ГДФ-специфичная сукцинил-КоА-синтетаза в комплексе с ГТФ
Вначале сукцинил-КоА фосфорилируется с высвобождением КоА, далее фосфатная группа переносится на остаток гистидина в активном центре сукцинил-КоА-синтетазы, а сукцинат высвобождается. После этого фосфорильная группа переносится на нуклеозиддифосфат (НДФ, им могут быть АДФ или ГДФ) с образованием нуклеозидтрифосфата (ATФ или ГТФ)
Более детально механизм фумаразной реакции представлен ниже:
Активный центр малатдегидрогеназы со связанным малатом (выделен розовым)
Реакция
Выход АТФ или восстановленных коферментов
Суммарный выход АТФ
пируват + НСО3− + АТФ ⇌ оксалоацетат + АДФ + Фн
печень, почки
фосфоенолпируват + СО2 + ГДФ ⇌ оксалоацетат + ГТФ
фосфоенолпируваткарбоксикиназа
сердце, скелетные мышцы
фосфоенолпируват + НСО3− ⇌ оксалоацетат + Фн
фосфоенолпируваткарбоксилаза
высшие растения, дрожжи, бактерии
пируват + НСО3− + НАД(Ф)H ⇌ малат + НАД(Ф)+
малик-энзим
широко распространена среди эукариот и бактерий
Схема вхождения продуктов катаболизма протеиногенных аминокислот в цикл трикарбоновых кислот
Обратный цикл трикарбоновых кислот. Прерывистой линией показаны реакции, катализируемые ферментами, отличными от ферментов прямого цикла
У растений, некоторых беспозвоночных и некоторых микроорганизмов (например, дрожжей, Escherichia coli) ацетил-КоА превращается в сукцинат в ходе глиоксилатного цикла, тесно связанного с циклом трикарбоновых кислот. Общее уравнение глиоксилатного цикла выглядит так:
Ханс Адольф Кребс
Для более лёгкого запоминания кислот, участвующих в цикле Кребса, существует мнемоническое правило:
Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед, что соответствует ряду — цитрат, цис-аконитат, изоцитрат, альфа-кетоглутарат, сукцинил-CoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат.
Щуку ацетил лимонил,
Но нарцисса конь боялся,
Он над ним изолимонно
Альфа-кетоглутарался.
Сукцинился коэнзимом,
Янтарился фумарово,
Яблочек припас на зиму,
Обернулся щукой снова.
(щавелевоуксусная кислота, лимонная кислота, цис-аконитовая кислота, изолимонная кислота, α-кетоглутаровая кислота, сукцинил-KoA, янтарная кислота, фумаровая кислота, яблочная кислота, щавелевоуксусная кислота).
Другой вариант стихотворения:
Циклинзависимая киназа
Киназы — это отдельный вид ферментов. Они переносят фосфор с одной молекулы (обычно это АТФ, но может быть и другой источник, например, фосфорная кислота (H2PO4) и др.) на другую. Этот процесс называется фосфорилированием (рис. 3).
Рисунок 3. Трехмерная структура циклинзависимой киназы и ее активация.
Название «циклинзависимые» указывает на то, что эти киназы не «таскают» фосфор туда-сюда постоянно. Они зависят от циклинов, которые либо включают, либо выключают эти ферменты.
Cdk — это белки с молекулярной массой примерно 34–40 кДа. В них, как и во многих белковых ферментах, выделяют активный центр (место, куда прикрепляется субстрат и источник фосфора, АТФ) и аллостерический центр — место связывания Cdk с циклином. Без циклина Cdk обладает низкой киназной активностью или вовсе не проявляет таковой. С циклином же эти киназы фосфорилируют целевые субстраты по треонину и серину (иными словами — являются серин-треонин киназами) (рис. 4).
Рисунок 4. Схема активации Cdk циклином.
(1) — T-петля; (2) — АТФ-связывающий сайт; (3) — аллостерический центр.
Все существующие циклины отличаются друг от друга. Впрочем, не совсем. Есть один участок молекулы, который назвали блоком циклина. Этот блок состоит примерно из 100 аминокислот, и их последовательность идентична у циклинов одного семейства. Интересно, что блок циклина присутствует и в других молекулах, таких как белок ретинобластомы и фактор транскрипции TF-II-B, которые не активируют циклинзависимые киназы.
Семейство циклинов включает в себя 29 белков, содержащихся в человеческом организме. Эти белки разделены на 16 подсемейств, а те, в свою очередь, на три большие группы:
Можно классифицировать и по-другому — по функциям:
Такую классификацию используют, когда говорят исключительно про клеточный цикл, так как сюда не входят циклины, участвующие в других процессах.
Более подробно про каждый тип циклинов мы поговорим ниже. Сейчас стоит сказать лишь то, что сами циклины не обладают каталитической активностью. Они только «включают» циклинзависимые киназы (Cdk — Cyclin-depended kinase), присоединяясь к ним.
Комплекс Cdk–циклин
Как и циклины, циклинзависимые киназы разделили на семейства. Их названия столь же просты — арабские цифры от 1 до 13. Каждая Cdk связывается только с определенными циклинами. Существуют киназы, связывающиеся только с одним семейством циклинов, а есть те, которые могут соединиться с циклинами из двух семейств или более. Подробно пары Cdk–циклин представлены на схеме ниже (рис. 5).
Рисунок 5. Пары циклинов и циклинзависимых киназ человека.
Сперва немного теории
А раз мы решили «по порядку», то, прежде чем изучать, какую роль циклины играют в клетке, нужно разобраться в том, что такое циклины, циклинзависимые киназы, ингибиторы циклинзависимых киназ. Словом, небольшой теоретический экскурс.
Функции циклинов и Cdk в клетке
Теперь, после всей этой теории, пришло время поговорить наконец о том, как циклины и циклинзависимые киназы работают в клетке, какую роль они играют в формировании слаженного механизма клеточного цикла. Удобнее всего будет рассмотреть каждую пару Cdk—циклин отдельно. Так и сделаем. Но прежде я познакомлю вас с большой схемой (рис. 7). Она покажется вам страшной, но не пугайтесь. Она — лишь иллюстрация к тому, о чем я буду рассказывать ниже. Вы можете сразу пропустить ее и потом возвращаться и смотреть на нее каждый раз, когда вам захочется. Либо изучить ее сразу и полностью.
Рисунок 7. Схема функций и взаимодействия циклинов, циклинзависимых киназ и CKI в клетке.
Служащие клеточного цикла
Начнем с пары Cdk 4/6 — циклин D, так как именно с нее и начинается клеточный цикл в ответ на митогенный стимул. Основной субстрат циклинзависимых киназ 4/6 — белок ретинобластомы (pRb). Он подавляет активность фактора транскрипции E2F, который активирует ряд генов, необходимых для входа клетки в G1 фазу. Пока pRb удерживает на себе E2F, клетка находится в фазе покоя. Когда же приходит митогенный сигнал, комплекс Cdk 4/6 — циклин D фосфорилирует pRb, и от него отделяется E2F, который запускает необходимые гены. Так и начинается клеточный цикл.
Далее главная роль переходит к Cdk 2, которая взаимодействует с двумя основными партнерами: циклином A и циклином E. После инактивации белка ретинобластомы включаются гены, ответственные за клеточный цикл. Один из них — ген циклина Е. Произведенный циклин Е активирует циклинзависимую киназу 2, и этот комплекс подключается к фосфорилированию pRb. Это способствует высвобождению и активации все большего количества E2F. В конце концов, максимальное высвобождение фактора транскрипции E2F способствует переходу клетки в синтетическую фазу. Как вы, вероятно, помните из школы, основное событие синтетической фазы — это репликация ДНК. Этот процесс и регулируется комплексом Cdk 2, но уже с циклином А.
Как только завершилось удвоение ДНК, на первый план выходит Cdk 1. Она активируется циклинами А и В и регулирует основные процессы постсинтетической фазы: созревание и расхождение центромер, конденсацию хромосом, разрушение ядерной мембраны и начало митоза.
Однако эта схема взаимодействия циклинов и циклинзависимых киназ очень хрупка (рис. 8). Существуют исследования, способные ее полностью разрушить. Например, при отсутствии Cdk 4 и 6 их функции может выполнить Cdk 2, связавшись с циклином D (что для нее, напомню, не характерно). В отсутствие Cdk 2 связаться с циклином D или E и A может даже Cdk 1. Единственная незаменимая для клеточного цикла Cdk — первая (Cdk 1). Совсем недавно, в 2020 году, было проведено исследование, согласно которому мышиные эмбрионы нормально росли и развивались без Cdk 2, 3, 4 и 6, но, если удаляли Cdk 1, то они погибали.
Рисунок 8. Схема взаимодействия регуляторных молекул между собой на протяжении клеточного цикла.
Рисунок 9. Схема работы циклинзависимых киназ. CDK — циклинзависимая киназа, CYC — циклин, CKIs — ингибиторы киназ, CAK — Cdk-активирующая киназа.
Транскрипционные Cdk — регуляторы «печатного станка» клетки
Основной задачей транскрипционных Cdk является обратимое фосфорилирование РНК полимеразы II. Фосфорилируют они не всю молекулу, а только так называемый C-терминальный домен (CTD). Он представляет собой некий «хвост» из повторяющихся аминокислот (Тир-Сер-Про-Тре-Сер-Про-Сер, и такой блок повторяется у млекопитающих около 52 раз). CTD — это такой «тумблер», который позволяет циклинам и Cdk «переключать» РНК полимеразу II между гипофосфорилированной формой (способной прикрепляться к преинициаторному комплексу для начала транскрипции) и гиперфосфорилированной формой (способной удлинять создаваемую молекулу РНК). CTD фосфорилируют Cdk 9 — циклин Т (этот комплекс активируется уже знакомым нам CAK) и Cdk 12 — циклин K. При этом комплекс Cdk 7–циклин H не только активирует Cdk 9, но и сам участвует в фосфорилировании CTD.
Митохондриальные Cdk
Циклинзависимая киназа 4 регулирует деятельность марганец-зависимой супероксиддисмутазы (MnSOD). Сейчас все объясню. Супероксиддисмутаза — это такой фермент, который присутствует почти в каждой клетке, и его задача — нейтрализация активных форм кислорода (АФК). Дело в том, что митохондрия в ходе образования АТФ работает с кислородом и электронами. Иногда кислород с электроном «убегает» от митохондрии. Кислород с лишним электроном — это очень сильный окислитель и очень опасный атом для клетки. Он может пойти куда не надо и окислить то, что не надо (например, ДНК или клеточную мембрану, или что-то еще). Вот такие «сбежавшие» активные формы кислорода и обезвреживает супероксиддисмутаза. Она «забирает» у них электрон на какой-нибудь металл. Обычно это либо железо, либо медь, либо цинк, либо, как в этом случае — марганец.
Другой важный комплекс для митохондрии — Cdk1–циклин B. Он помогает митохондрии координировать процессы деления и слияния. Раз у митохондрии, скорее всего, бактериальное прошлое, у нее есть своя ДНК и вторая мембрана, то и делится она сама, немного отдельно от всей клетки. Митохондрии способны к самостоятельному бинарному делению (как и бактерии). И делают они это вне зависимости от фазы клеточного цикла. С другой стороны, митохондрии способны и сливаться, образуя из двух маленьких одну большую органеллу. Поддержание оптимального баланса между делением и слиянием имеет решающее значение для поддержания динамики митохондриальных мембран, стабильности синтеза энергии АТФ и для различных клеточных функций. События слияния осуществляются митохондриальной трансмембранной ГТФазой, известной как митофузин (Mfn), тогда как динамин-родственный белок 1 (DRP1) отвечает за события деления митохондрий. Вы спросите, а где же здесь циклины? Они регулируют активность DRP1. Этот белок имеет целых пять мест, в которых его можно фосфорилировать. За два из них отвечает комплекс Cdk1–циклин B. При фосфорилировании DRP1 направляется из цитоплазмы к мембране митохондрии и взаимодействует там с рецептором, который называется митохондриальным фактором деления (MFF). Этот рецептор запускает в органелле каскад реакций, в результате которых она делится на две. Что касается процессов объединения, то здесь циклины участвуют лишь опосредованно. Активный DRP1 (фактор разделения) подавляет Mfn (фактор объединения). Иными словами, всегда, когда не происходит деления, митохондрии стремятся слиться.
Рисунок 10. Взаимодействие митохондрии и ядра при репарации ДНК с помощью комплекса Cdk 1–циклин B.
«Белые вороны в толпе», или атипичные Cdk
Рисунок 14. Схема функций Cdk 5 в клетке.
Рисунок 2. Схема клеточного цикла и регуляторных молекул.
Мейоз — это редукционное деление. Как вы, уже, вероятно, догадались, здесь ситуация совсем другая. В результате деления получается не две, а четыре клетки, но и генетической информации в них в два раза меньше: из одной клетки с 46 хромосомами получится четыре по 23 хромосомы в каждой.
Помимо этого, выделяют еще пятую фазу — G0 (покоя). В фазу покоя в клетке не происходит процессов, классических для клеточного цикла (удвоение ДНК и так далее). Клетка просто живет, окисляет вещества, получает энергию, синтезирует необходимые белки. Но не делится. В этой фазе находятся дифференцированные клетки организма. Например, нейроны или лимфоциты, или реснитчатые клетки слизистой оболочки дыхательных путей. Они уже получили «профессию», и у них уже «нет времени» на деление. Они выполняют свой «долг» на благо всего организма.
Ингибиторы циклинзависимых киназ
Рисунок 6. Обзор регуляторов клеточного цикла (циклинов, Cdk, ингибиторов и чекпоинтов).
Заключение
Итак, в этой статье мы с вами рассмотрели молекулы, регулирующие клеточный цикл (и не только). Циклины, циклинзависимые киназы, ингибиторы Cdk — они выполняют множество функций и регулируют большинство процессов в клетке. Деление, дифференцировка, синтез белков, защита от окисления, репарация ДНК, защита от образования опухолей. Можно перечислять долго. Неудивительно, что эта тема популярна среди биологов и медиков всего мира. Столь большой список функций наталкивает на мысль: «А может, эти молекулы, можно использовать, чтобы искусственно влиять на некоторые процессы в клетке?» Да, это верно. Множество исследований сейчас говорит об эффективности применения циклинов или, что гораздо чаще, CKI для лечения в разных областях медицины. Неврология, онкология, травматология — это лишь верхушка айсберга возможностей применения циклинов (или Cdk, или CKI).
- Marcos Malumbres. (2014). Cyclin-dependent kinases. Genome Biol. 15, 122;
- Alessia Schirripa, Veronika Sexl, Karoline Kollmann. (2022). Cyclin-dependent kinase inhibitors in malignant hematopoiesis. Front. Oncol.. 12;
