Клеточный уровень управления дыханием

Все функции клетки связаны с потреблением энергии: для сокращения, секреции, генерации биопотенциалов, синтеза веществ, пролиферации и т.д. Источником энергии служит АТФ, который в больших количествах образуется в митохондриях в процессе окислительного фосфорилирования глюкозы и жирных кислот. Количество кислорода, идущего на эти цели, должно соответствовать потребностям клетки.

За исследование ферментов клеточного дыхания немецкий биохимик Отто Варбург получил Нобелевскую премию в 1931 году. Однако, как клетка отслеживает концентрацию кислорода при меняющейся потребности в нем, стало известно не так давно. В 2019 году была присуждена Нобелевская премия за исследование клеточных механизмов чувствительности к гипоксии. Её удостоились Грегг Семенза (Gregg L. Semensa), Питер Рэтклифф (Peter J.Ratcliff ), Уильям Келин-младший (Willian Kaelin, Jr.).

Работами не только этих ученых и их сотрудников, но и многих других было установлено, что механизм чувствительности к гипоксии работает с более чем 300 генов. От этого зависит и работа мышц, и рост кровеносных сосудов, и работа нейронов, иммунные реакции, развитие эмбриона и др. Сигнальной молекулой служит HIF-1а

(hypokia-inducible factor, гипоксией индуцированный фактор), который чувствует уровень кислорода в клетке.

Когда кислорода мало (гипоксия), HIF-1а становится много из-за того, что перестает работать механизм его утилизации путем разрушения в протеасомах. При нормоксии к HIF-1а присоединяется убиквитин – метка, которая показывает протеасоме, что белок не нужен и его следует утилизировать. При нормальном содержании кислорода на белке HIF-1а происходит гидроксилирование пролина – на остатках аминокислоты пролина в белковой молекуле появляются гидроксильные группы ОН.

В таком модифицированном виде он взаимодействует с белком VHL (von Hippel- Linau), который помогает навесить на него убиквитин и отправить на утилизацию. Если гипоксия, то HIF-1а остается невидимым для протеасомы из-за отсутствия метки VHL. HIF состоит из двух частей: уровень кислорода чувствует HIF-1а, а второй белок

– ARNT – нужен, чтобы посадить HIF-1а на ДНК и простимулировать тем самым ген, отвечающий за ту или иную функцию.

Как ген может почувствовать недостаток кислорода? Генетическую информацию с ДНК считывают транскрипционные ферменты, их активность можно усилить или ослабить. Это делают белки «факторы транскрипции». Рядом с геном всегда есть специальные регуляторные участки ДНК, которые служат посадочными площадками для факторов транскрипции: сев на ДНК, они либо привлекают к гену больше транскрипционных ферментов (ген становится активнее), либо не дают им работать с этим геном. Таким фактором транскрипции является HIF-1а.

Для управления внутриклеточными процессами, которые зависят от потребления кислорода, организм должен поддерживать нормоксию тканевой жидкости и крови, а значит управлять поступлением кислорода из внешней среды. Это достигается ритмическим чередованием вдоха и выдоха и изменением глубины и частоты дыхания. Поэтому на уровне организма регуляция дыхания связана с функцией дыхательного центра.

Дыхательный центр. Отделы и их функции.

Регуляция дыхания – управление ритмичным чередованием вдоха и выдоха и их глубиной с целью поддержания постоянства газового состава крови при различных состояниях организма.

Эту функцию выполняет дыхательный центр.

КБП

Лимбическая

система

мост

продолговатый мозг

Спинной мозг