Glory, glory respiration
Aug. 19th, 2020 09:00 am![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
egovoruТо, что фотосинтез и дыхание, обеспечивающие клетку энергией, требуют наличия замкнутых мембран, обнаружили довольно давно, но понимание причин этого пришло далеко не сразу. Ключевая роль тут принадлежит Питеру Митчеллу, впервые показавшему, что синтез АТФ сопряжен с диссипацией электрохимического градиента протонов на внутренней мембране митохондрий. А создают этот градиент, преобразуя в него энергию окисления глюкозы (в хлоропластах – энергию света), электрон-транспортные цепи – расположенные в мембране белковые комплексы.
Впервые я услышала об этих чудесах от Таисии Петровны Микулович, приглашенной прочесть лекцию биошкольникам. Недавно ее не стало – пользуюсь случаем помянуть ее добрым словом. Забавно, что сама-то она работала совсем в другой области – изучения гормональной регуляции у растений, но именно ее рассказ про мембранное разделение зарядов определил мою последующую профессиональную карьеру. Правда, я занялась все же не биоэнергетикой – принципиальные открытия в ней к тому времени уже были сделаны – а сенсорной биологией: исследованием мембранных рецепторов.
Среди «биохимических песен» Гарольда Баума есть и весьма зажигательная про дыхательную электрон-транспортную цепь – предлагаю ее вашему вниманию. Мне особенно нравится последний фрагмент анимации, где четыре дыхательных комплекса и вращающаяся АТФ-синтаза представлены в виде молекулярных моделей – уж очень хорошо он ложится на музыку :)
«Боевой гимн
в свою очередь написанной на мотив христианского гимна начала 19-го века.
А слова Баума можно посмотреть вот здесь
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: 2020-08-19 02:01 pm (UTC)LiveJournal categorization system detected that your entry belongs to the category: Наука (https://www.livejournal.com/category/nauka?utm_source=frank_comment).
If you think that this choice was wrong please reply this comment. Your feedback will help us improve system.
Frank,
LJ Team
no subject
Date: 2020-08-19 09:34 pm (UTC)no subject
Date: 2020-08-19 09:37 pm (UTC)no subject
Date: 2020-08-19 03:08 pm (UTC)no subject
Date: 2020-08-19 03:50 pm (UTC)Интересно, что скажут остальные читатели - неужели видео ни у кого не запускается?? На ютьюбе, к сожалению, нет подобной анимации под эту песню.
no subject
Date: 2020-08-19 07:36 pm (UTC)По прямой ссылке открывается, спасибо!
no subject
Date: 2020-08-19 10:23 pm (UTC)У Баума была и отдельная песня про хемиосмотическую теорию Митчелла, вот здесь есть ее аудиофайл (https://web.csulb.edu/~cohlberg/Songs/chemiosmotic.mp3). А вот слова, объясняющие процесс в деталях:
Oxidative phosphorylation, exceedingly hard to explain,
Accounting for cation movement and why you need a membrane,
But the chemiosmotic theory gives membranous structure a role,
Accounts for uncoupler action and respiratory control.
Mitochondrial inner membranes have redox complexes inlaid
And their topological features direct a proton cascade,
Electrons and protons in symport move outward on enzymic track
Followed by charge separation as electrons alone cross back.
In the simplest of formulations all reductions on matrical side
Need protons as well as electrons (hydrogen atoms implied),
Whilst reductions at external surface (for example of cytochrome c)
Take electrons alone to pass inwards leaving protonic charges free.
Now the net result of this looping (for succinate, say, you loop twice)
Makes coupled respiratory complex charge-separating device,
And the driving force for this process is potential change (∆E),
Redox energy thus converted is transduced to proticity.
Now, control upon respiration, and more separation of charge
Is imposed as membrane potential becomes increasingly large,
But uniport cation uptake on porter or ionophore
Starts to collapse the potential, permits respiration once more.
Such uptake is somewhat restricted, by internal buffering state,
As more protons are ejected, so ∆pH gets great,
And the motive force of the protons which slows respiration when high
Is a term with ∆pH in, plus membrane potential (or psi).
As psi drives cation uptake and ∆pH becomes great
An antiport Pi:hydroxyl can make salts accumulate,
But a far more important process that’s linked to this proticity
Is of course hydro-dehydration between Pi and ADP.
For inlaid across that same membrane is Fo with protonic well
F1—ATPase stuck on it (by OSCP they tell)
When ATP’s split in that headpiece, protons come from the matrix side
The rest of the reaction water, coming in as C-side oxide.
So that whole ATPase complex is a proton pumping device,
At high p.m.f.* it reverses, which is really rather nice;
Not only will ATP breakdown take up ions reversibly,
But p.m.f. from respiration drives the making of ATP.
So to summarise we’ve a membrane, proton impermeable too,
With proticity generators, conveniently plugged through;
Each thus interacts with the other, ‘squiggle’s’ just p.m.f. and no more,
An uncoupler simply functions by acting as protonophore.
* p.m.f. is proton motive force.
no subject
Date: 2020-08-20 05:07 am (UTC)no subject
Date: 2020-08-20 11:39 am (UTC)Я же так воодушевилась, что попробовала сама написать нечто подобное для обучения биошкольников. Одна песня вышла даже вполне ничего - напишу о ней потом когда-нибудь отдельно :) Но до Баума мне, конечно, далеко!
no subject
Date: 2020-08-21 05:05 am (UTC)no subject
Date: 2020-08-19 03:22 pm (UTC)Для меня например философия и эволюция были все время такими темами.. сложно описать - "завязнуть можно", Дарвин совсем не увлекателен, "скучно",.. Кто бы мне сказал, что буду писать на эту тему..
no subject
Date: 2020-08-19 09:38 pm (UTC)А вот Вы почему вдруг заинтересовались именно Ca2+ signaling?
no subject
Date: 2020-08-19 11:08 pm (UTC)Интересный вопрос. Если честно — меня заставило: мало иметь возможность заниматься наукой, по крайней мере там где я работал была нужна так называемая научная траектория и область интересов. В Японии, например, невнятность направления научной деятельности ценится очень низко, просто навыки там не ценятся, ну и нас тоже всё в отрыве от некоего направления не особо в почете.
Вот и получилось — от растительной электрофизиологии, к растительному кальций-проницаемому вакуолярному каналу ("acidic Ca-stores"), из которого я не чаял выбраться, к молекулярной биологии и генетически-кодируемым индикаторам (Вам это ближе) и вот совсем недавно - теория, в которой пока есть над чем поработать. Впрочем, там работа такая - снегоступами пробивать; сказать что мне хорошо даются специальные работы - значит соврать. Специалист из меня будет веьсма посредственный. И в этом отношении тот уровень на котором я работаю пока вполне меня устраивает.
no subject
Date: 2020-08-20 11:44 am (UTC)Что было, то было: лет в 10 я твердо намеревалась обзавестись в будущем собственным зоопарком :)
Ого, то есть, Вы начинали как электрофизиолог? Но растения-то в этом смысле - необычный объект, или Вы работали на харовых водорослях? Дальнейшая эволюция представляется вполне естественной, а вот что Вас подвигнуло на первоначальный выбор?
no subject
Date: 2020-08-20 02:24 pm (UTC))))
Да, я начал как растительный электрофизиолог — в ННГУ Лобачевского мощная школа растительной электрофизиологии, причем, как ни странно — высших растений. На харовых тоже довелось поработать, но в Пущино, во время дипломной практики.
А на кафедру биофизики я попал потому что это было наиболее интересное из наличного)) когда выбор не особо богатый его проще сделать))
Правда следует признать, что большую часть времени я там профилонил.. Что такое наука, в ее нынешнем виде, мне стало понятно гораздо позднее..
no subject
Date: 2020-08-21 11:28 am (UTC)Я-то высшими растениями никогда не занималась после окончания университета, но короткое время поработала (со своим водорослевым проектом) в лаборатории такого профиля и даже познакомилась с некоторыми людьми в этой области, потому что ездила с этой лабораторией на соответствующую конференцию.
А на последней фотобиологической конференции, где я была, представляли совершенно замечательную, на мой взгляд, работу на высших. Некие англичане присобачили светочувствительный домен фототропина к калийному каналу в устьицах, которые в силу этого стали реагировать на свет не с задержкой в несколько часов, как в норме, а в минутной шкале. У них даже и урожайность пшеницы из-за этого повысилась :)
А Вы тоже устьичными клетками занимались?
no subject
Date: 2020-08-21 01:50 pm (UTC)Харовые использовал как модельный объект для проверка механизма возникновения ПД с участием ПМ-Н+-АТФазы Р-типа. Согласно модели возникновения ПД у растений деполяризация возникает при инактивации АТФазы входящими ионами кальция. Там должны были быть игры с рН во внеклеточной среде и целая история о том как это можно было провернуть. Харовые ведь пытались приспособить для петч-клямпа еще до аксона, но не судьба была — там вакуолярная мембрана мешалась. Потом приспособились вакуоль вымывать Са хелаторами. В моем же случае ионы кальция были нужны для инактивации помпы, так что нужно было подобрать состав внутренней среды таким образом, чтобы вакуоль все же отваливалась, но при этом инактивация помпы кальцием сохранялась некоторое время (которое тоже следовало определить). Было интересно, правда в итоге все это не было опубликовано, но затем вышла статья на тыкве где эффект рН-таки зарегистрировали.
Кстати, у меня где-то заархивирован проект — Н+-АТФаза растений активируется 14-3-3 белками и все это активируется светом. А к этому же семейству помп принадлежит SERCA. Если приделать механизм активации к последней там.. интересные вещи могут получиться. В частности, при раке SOCE хиленький и в ER практически нет кальция, который мог бы быть использован для запуска апоптоза через Ca overload в митохондриях.
На молекулярном уровне у меня была другая работа — приделал генетически кодируемый биолюминисцентный кальциевый индикатор к растительному кальций-проницаемому каналу. Долго пытался — около года. В итоге когда получил трансгенные растения и
определил петчем что канал с пришитым индикатором работоспособен (и показывает красивую люминисценцию если добавить Са ионофор) научник сказал, что не собирается продолжать проект. Семена так и остались))) Там интересно было, кстати, — большую часть времени не удавалось получить продукт лигации канала с индикатором. Оказалось, видимо, что канал был токсичен для Е.коли — вырастить их и выделить плазмиду с клоном удалось только на средах с ЭГТА.
no subject
Date: 2020-08-22 10:37 am (UTC)Забавно, что мой самый первый проект тоже был фоторегуляция АТФазы - у Rhodospirillum rubrum. Помню, что растить их надо было в завинчивающихся бутылках от венгерского вермута - они анаэробные, и бутылки эти хорошо подходили :) Правда, мы недалеко продвинулись, и я быстро переключилась на другое.
"приделал генетически кодируемый биолюминисцентный кальциевый индикатор к растительному кальций-проницаемому каналу"
Это интересная мысль - ведь изменения концентрации кальция важны локально, и такая конструкция позволяла бы их локально измерять. Жаль, что не удалось довести дело до публикации :(
Кстати, а как там поживает Ваш обзор - слышно ли что-нибудь из журнала?
no subject
Date: 2020-08-22 04:01 pm (UTC)_Это интересная мысль - ведь изменения концентрации кальция важны локально, и такая конструкция позволяла бы их локально измерять._
Там нужны были специальные контроли — доказать, что зарегистрированное вызвано активностью канала, а не повышением цитоплазматического кальция. Для этого были взяты две версии канала, исходная WT и мутантная с повышенной активностью ("активность кальция у устья поры должна была быть больше"). Обе были охарактеризованы электрофизиологически и на способность индикатора изменять параметры свечения в присутствии кальция. Но увы:)
эту работу я не считаю обзором, а исследовательской, хотя она конечно же не экспериментальная)))) журнал куда отправили сказал, что у них не найдется место для нее. а потом.. на ней были повязаны формальности, выполнить которые при публикации теперь не удастся, она останется в нынешнем виде. Идеи там прочитаны и меня это полностью удовлетворяет (правда, насколько поняты — мне пока не ясно, но и времени прошло всего пара месяцев — не срок для научных статей в этой области).
no subject
Date: 2020-08-22 04:26 pm (UTC)Мне, признаться, тоже показалось, что этот труд несколько длиннее страндартного обзора. Но можно, наверное, попробовать послать ее еще в какой-нибудь журнал - например, вот этот (https://www.frontiersin.org/journals/cell-and-developmental-biology)? Кроме того, многие издательства сейчас предлагают издавать и целые книги :)
no subject
Date: 2020-08-23 01:55 pm (UTC)no subject
Date: 2020-08-23 02:00 pm (UTC)no subject
Date: 2020-08-23 02:47 pm (UTC)no subject
Date: 2020-08-23 05:37 pm (UTC)no subject
Date: 2020-08-23 10:34 pm (UTC)Они вообще плотно работают - растительные биологи и те кто в кальциевой сигнализации - страна маленькая, наработки используемые на животных легко переносят на растения.
no subject
Date: 2020-08-19 06:18 pm (UTC)no subject
Date: 2020-08-19 10:00 pm (UTC)А вот на этой страничке (https://web.csulb.edu/~cohlberg/songbook.html) выложены аудиофайлы всего цикла :)