Кафедра биохимии биологического факультета МГУ
Главная » Наука »

Механизмы функционирования энергопреобразующих ферментов митохондрий

Группа исследования биоэнергетики занимается изучением молекулярных механизмов работы энергопреобразующих ферментов. Основное внимание уделяется Fo∙F1-АТРсинтазе и комплексу I дыхательной цепи митохондрий, а также их роли в регуляции биоэнергетических процессов.

Основные научные направления

  1. Исследование механизмов работы Fo∙F1-АТРсинтазы и факторов, запускающих однонаправленную регуляцию фермента (соотношение ADP/ATP, pH, мембранный потенциал).
  2. Изучение NADH:убихинон-оксидоредуктазы (комплекса I) как ключевого регуляторного элемента биоэнергетики.
  3. Исследование роли митохондриальных ферментов в образовании активных форм кислорода и их физиологических и патологических эффектах.

Руководитель

Гривенникова Вера Георгиевна

Гривенникова Вера Георгиевна

Доцент кафедры биохимии, кандидат биологических наук.
Комната:
156, 158, 160

156, 158, 160 комнаты

?????

Состав группы

Должность ФИО
Руководитель группы кандидат биол. наук
В.Г. Гривенникова
Доцент кандидат биол. наук
Т.В. Жарова
Учебный мастер кандидат биол. наук
А.В. Кареева

Педагогическая работа

Сотрудники группы активно участвуют в преподавании и научно-общественной деятельности:

В.Г. Гривенникова

  • Читает спецкурс «Кинетика ферментативных реакций» для студентов IV курса.
  • Проводит семинары по биохимии для студентов II курса Отделения экологии и природопользования.

Т.В. Жарова

  • Совместно с А.В. Кареевой ведёт раздел «Препаративная энзимология» в рамках Большого практикума для студентов IV курса кафедры биохимии.
  • Проводит практические занятия Малого практикума по биохимии для студентов III курса Биологического факультета.

А.В. Кареева

  • Совместно с Т.В. Жаровой ведёт раздел «Препаративная энзимология» в рамках Большого практикума для студентов IV курса кафедры биохимии.

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

Основные направления научной работы группы

1. Исследование Fo∙F1-АТРсинтазы как ключевого фермента биоэнергетики

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. Получены экспериментальные доказательства однонаправленного режима работы фермента как результат активности двух форм Fo∙F1. В настоящее исследования направлены на установление факторов, запускающих механизмы однонаправленной регуляции фермента: соотношение ADP/ATP, pH среды и, главным образом, мембранный потенциал.

2. Изучение 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.

3. Регуляторная роль электрохимического потенциала в функционировании энергопреобразующих ферментов

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, Российского фонда фундаментальных исследований и Российского научного фонда.

А.Д. Виноградов
Профессор А.Д. Виноградов (1942-2021)

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 55 лет лаборатория внесла основательный вклад в развитие мировой науки. Результаты работ группы опубликованы в более чем двухстах статьях в отечественных и зарубежных журналах.

Основные достижения

Приоритетные результаты опубликованных группой работ:

  1. Обнаружение кооперативности кинетики транспорта Са2+ митохондриями (1972 г.);
  2. Установление кинетических и термодинамических параметров связывания лигандов-дикарбоксилатов в активном центре сукцинатдегидрогеназы (комплекс II) (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 г.);
  6. Открытие специфического центра прочного связывания ADP митохондриальной протонтранслоцирующей Fo∙F1-АТРсинтазой (1980 г.);
  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.);
  12. Идентификация комплекса I  и дигидролипоилдегидрогеназного комплекса митохондрий как основного источника активных форм кислорода (2016 г.);
  13. Обнаружение FMN-независимого обратного переноса электронов комплексом I в дыхательной цепи митохондрий млекопитающих и плазматических мембранах бактерий (2018, 2023 гг.);
  14. Обнаружение различий в механизмах катализа синтеза и гидролиза АТР и способах их регулирования (2019, 2022, 2023 гг.). 

Основные работы

  1. Виноградов А.Д. (1999) Преобразование энергии в митохондриях. Соросовский образовательный журнал  9, 11–19.
  2. Vinogradov A.D. (2000) Steady-state and pre-steady-state kinetics of the mitochondrial Fo×F1-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 Fo·F1 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 53, 245–296.
  6. Grivennikova V.G. Kozlovsky V.S., Vinogradov A.D. (2017) Respiratory complex II: ROS production and the kinetics of ubiquinone reduction. Biochim. Biophys. Acta 1858, 109–117.
  7. Zharova T.V., Vinogradov A.D. (2017) Functional heterogeneity of Fo·F1 H+-ATPase/synthase in coupled Paracoccus denitrificans plasma membranes. Biochim. Biophys. Acta 1858 939–944.
  8. Виноградов А.Д. (2019) Новый взгляд на проблему обратимости синтеза и гидролиза АТР Fo·F1-АТРазой (гидролазой). Биохимия 84, 1553–1563.
  9. Жарова Т.В., Козловский В.С., Гривенникова В.Г. (2022) Взаимодействие Fо·F1 АТРазы/АТР синтазы Paracoccus denitrificans и вентурицидина в условиях генерации мембранного потенциала. Биохимия 87, 1077–1087.
  10. Grivennikova V.G., Khailova L.S., Zharova T.V.,Kotova E.A.,Antonenko Yu.N. (2022) Inhibition of respiratory complex I by 6-ketocholestanol: Relevance to recoupling action in mitochondria. Biochim. Biophys. Acta 1863, 148594.
  11. Zharova T.V., Grivennikova V.G., Borisov V.B. (2023) Fo∙F1·ATP Synthase/ATPase: Contemporary View on Unidirectional Catalysis. Int. J. Mol. Sci 24, 5417.
  12. Gladyshev G.V., Zharova T.V., Kareyeva A.V., Grivennikova V.G. (2023) Proton-translocating NADH:ubiquinone oxidoreductase of Paracoccus denitrificans plasma membranes catalyzes FMN-independent reverse electron transfer to hexaammineruthenium (III). Biochim. Biophys. Acta 1864, 148963.
  13. Grivennikova V.G., Gladyshev G.V., Zharova T.V., Borisov V.B. (2024) Proton-Translocating NADH-Ubiquinone Oxidoreductase: Interaction with Artificial Electron Acceptors, Inhibitors, and Potential Medicines. Int. J. Mol. Sci. 25, 13421.
  14. Жарова Т.В., Гривенникова В.Г. (2025) Fo∙F1 ATP-синтаза/ATPаза Paracoccus denitrificans: загадка однонаправленного катализа. Успехи биологической химии 65.