Механизмы функционирования энергопреобразующих ферментов митохондрий

Руководитель группы – доцент, к.б.н. В.Г. Гривенникова

Формирование научной школы лауреата Государственной премии СССР заслуженного профессора МГУ А.Д. Виноградова, создавшего на кафедре группу, занимающуюся митохондриальными ферментами, участвующими в энергетическом обмене, началось в конце 60-х годов прошлого века, время, когда биоэнергетика стала самостоятельной, бурно развивающейся областью биохимии. В 70х годах А.Д. Виноградов (тогда молодой ассистент кафедры биохимии) прошёл стажировку в ведущих лабораториях США под руководством основателей мембранной биоэнергетики и энзимологии: проф. Б. Чанса (Пенсильванский университет), проф. Э. Ракера (Корнельский университет) и проф. Т. Сингера (Госпиталь Ветеранов, Сан-Франциско); в 1980 г. работал в Нью-Йоркском государственном университете в качестве приглашённого профессора. За истекшие 50 лет лаборатория внесла основательный вклад в развитие мировой науки. Результаты работ группы опубликованы в более чем двухстах статьях в отечественных и зарубежных журналах.

Приоритетные результаты опубликованных группой работ: 1) Обнаружение кооперативности кинетики транспорта Са2+ митохондриями (1972 г.); 2) Установление кинетических и термодинамических параметров связывания активным центром сукцинатдегидрогеназы лигандов-дикарбоксилатов (1979 г.); 3) Открытие Са2+-индуцируемой неспецифической проницаемости митохондриальной мембраны (1972 г.); 4) Открытие каталитической активности железо-серного центра S-3 комплекса II дыхательной цепи (1975); 5) Обнаружение и получение в гомогенном состоянии нового фермента – оксалоацетат-таутомеразы матрикса митохондрий (1988); 6) Открытие специфического центра прочного связывания ADP митохондриальной протонтранслоцирующей Fo∙F1-АТРсинтазой (1980); 7) Обнаружение гистерезисного поведения комплекса I дыхательной цепи (1990 г.); 8) Установление стехиометрии векторного переноса протонов энергопреобразующим комплексом I дыхательной цепи (1999); 9) Введение в практику исследований новых искусственных акцепторов электронов для измерения активности компонентов дыхательной цепи (1977; 1983 гг.); 10) Обнаружение свободно-радикальной формы убихинона в качестве интермедиата катализа NADH:убихинон-редуктазной реакции (1989 г.); 11) Обнаружение аммоний-зависимой продукции активных форм кислорода митохондриями и идентификация дигидролипоамиддегидрогеназы – фермента, катализирующего этот процесс (2010 г.).

Доцент, к.б.н. Т.В. Жарова

В настоящее время группу возглавляет доцент кафедры В.Г. Гривенникова. Научная работа сосредоточена на трех направлениях. Одно из них связано с изучением функционирования «главного» фермента, обеспечивающего клетку энергией – Fo∙F1-АТРсинтазы. Детальный анализ, проведенный в серии работ, привел к новой идеологии применительно к энергопреобразующим системам, согласно которой представление о ферменте как об обратимо функционирующем катализаторе требует пересмотра. Основные положения этой концепции, рассматривающей фермент-преобразователь энергии как молекулярную машину, переключаемую на функционирование белка в качестве катализатора либо прямой, либо обратной реакции, сформулированы в нескольких опубликованных обзорах.

Другое направление – изучение главного энергопреобразователя дыхательной цепи, NADH:убихинон-оксидоредуктазы (комплекса I). Медленная трансформация каталитической активности комплекса I, по-видимому, служит важным, до сих пор функционально непонятным регуляторным механизмом биоэнергетики. Существование этого явления было показано в интактных митохондриях, а затем в результате совместной работы с американскими учеными было продемонстрировано и в сокращающемся перфузируемом сердце.

Основная идея работы, планируемой группой, состоит в экспериментальном доказательстве выдвинутого предположения о регуляторной роли электрохимического потенциала на сопрягающих мембранах митохондрий и плазматических мембранах прокариот в поддержании каталитически компетентных структур энергопреобразующих ферментов: Fo•F1-АТРазы и NADH:убихинон-оксидоредуктазы. Лаборатория обладает уникальным опытом изучения этих сложноустроенных ферментных комплексов, своего рода «минимодели» окислительного фосфорилирования.

Многочисленные работы, публикуемые в мировой литературе, посвящены изучению физиологии и патофизиологии образования так называемых активных форм кислорода. За последние годы группа опубликовала несколько обзоров и собственных экспериментальных работ, посвященных участию комплексов дыхательной цепи митохондрий в этом процессе.

Исследования, проводимые в группе, в разные годы поддерживались грантами программы «Ведущие научные школы», грантами Фонда Фогарти Национального института здоровья США и грантами Российского фонда фундаментальных исследований. В настоящее время финансовая поддержка осуществляется Российским научным фондом.

Все сотрудники группы уделяют много времени преподаванию и научно-общественной деятельности: В.Г. Гривенникова читает спецкурс «Кинетика ферментативных реакций» для студентов IV курса, ведет семинары по биохимии со студентами II курса отделения экологии и природопользования; Т.В. Жарова ведет раздел «Препаративная энзимология» в рамках Большого практикума для студентов IV курса кафедры биохимии и практические занятия Малого практикума по биохимии со студентами III курса Биологического факультета; младший научный сотрудник Г.В. Гладышев ведет практикум по биоэнергетике на факультете Биоинформатики и биоинженерии, практические занятия Малого практикума по биохимии со студентами III курса кафедры биохимии и других кафедр Биологического факультета; сотрудник группы А.В. Кареева ведет раздел «Препаративная энзимология» в рамках Большого практикума для студентов IV курса кафедры биохимии, а также практические занятия Малого практикума по биохимии со студентами III курса кафедры биохимии. Доцент кафедры биохимии В.Г. Гривенников – лауреат программы «Соросовский доцент». Сотрудники группы А.В. Кареева и Г.В. Гладышев – лауреаты конкурса работ талантливых студентов, аспирантов и молодых ученых МГУ им. М.В. Ломоносова.

В лаборатории подготовлено 25 кандидатов наук, некоторые из них защитили докторские диссертации и теперь возглавляют собственные группы.

Наиболее важные работы сотрудников группы представлены в обзорах и статьях, опубликованных в высокорейтинговых журналах.

Список статей

  1. Виноградов А.Д. (1999) Преобразование энергии в митохондриях, Соросовский образовательный журнал 9 (46), 11–19.
  2. Vinogradov A.D. (2000) Steady-state and pre-steady-state kinetics of the mitochondrial FoF1-ATPase: is ATP synthase a reversible molecular machine? J. Exp. Biol. 203, 41-49.
  3. Zharova T.V., Vinogradov A.D. (2006) Energy-linked binding of Pi is required for continuous steady-state proton-translocating ATP hydrolysis catalyzed by FoF1 ATP synthase. Biochemistry 45, 14552-14558.
  4. Kareyeva A.V., Grivennikova V.G., Vinogradov A.D. (2012) Mitochondrial hydrogen peroxide production as determined by the pyridine nucleotide pool and its redox state. Biochim. Biophys. Acta 1817, 1879-1885.
  5. Гривенникова В. Г., Виноградов А. Д. (2013) Генерация активных форм кислорода митохондриями, Успехи биологической химии, т. 53, 2013, с. 245–296.
  6. Grivennikova V.G. Kozlovsky V.S., Vinogradov A.D. Respiratory complex II: ROS production and the kinetics of ubiquinone reduction (2017) Biochim. Biophys. Acta, 1858, 109-117.
  7. Zharova T.V., Vinogradov A.D. Functional heterogeneity of Fo•F1H+-ATPase/synthase in coupled Paracoccus denitrificans plasma membranes (2017) Biochim. Biophys. Acta, 1858 939-944.
  8. Grivennikova V.G., Kareyeva A.V., Vinogradov A.D. (2018) Oxygen-dependence of mitochondrial ROS production as detected by Amplex Red assay, Redox Biol. 2018, 192–199.
  9. Gladyshev G.V., Grivennikova V.G., Vinogradov A.D. (2018) FEBS Lett. 2018 Jul;592(13):2213-2219. doi: 10.1002/1873-3468.13117
  10. Grivennikova V.G., Gladyshev G.V., Vinogradov A.D. (2020) FMN site-independent energy-linked reverse electron transfer in mitochondrial respiratory complex I, FEBS Lett. 592, 2213–2219.
  11. Grivennikova V.G., Gladyshev G.V., Vinogradov AD. (2020) Deactivation of mitochondrial NADH:ubiquinone oxidoreductase (respiratory complex I): Extrinsically affecting factors. Biochim Biophys Acta 1861, 148207.

Состав группы

Руководитель группы В.Г. Гривенникова
Доцент Т.В. Жарова
Младший научный сотрудник Г.В. Гладышев
Учебный мастер А.В. Кареева

Комнаты №: 156, 158, 160.