Участие аналогов убихинона в переносе электронов в дыхательной цепи митохондрий (стр. 3 из 12)
Наиболее изучен транслокатор адениновых нуклеотидов (АДФ/АТФ - переносчик) (рис.9). АДФ/АТФ-переносчик катализирует высокоспецифичный электрогенный обмен цитоплазматического АДФ на внутримитохондриальный АТФ, образующийся в результате окислительного фосфорилирования. Это наиболее характерный компонент митохондрий, эукариотической клетки, его содержание составляет до 15-20% от общей белковой массы внутренней митохондриальной мембраны. Фосфатный переносчик, расположенный на внутренней мембране, поставляет, фосфат для синтеза АТФ [9].
Белки дыхательной цепи также расположены во внутренней мембране (рис.7 и ниже).
Внутренняя мембрана образует регулярные складчатые структуры – кристы, за счет которых площадь ее поверхности очень сильно возрастает. Криста состоит из ламеллярной и соединенной с внутренней мембранной более узкой трубковидной частей ([10]). Т.е. внутренняя мембрана, смежная с наружной мембраной, и внутренняя мембрана ламеллы соединены посредством структуры, названной кристоножкой (pedicula cristae). Топологически межмембранное пространство все еще продолжается внутри ламеллы. Можно выделить три типа организации крист:
- ламеллярные (плоские) кристы, подразделяющиеся также на подтипы: лентовидные, листовидные, многослойные цилиндрические и шаровидные (дисковидные и пластинчатые) структуры
- везикулярные кристы, включающие пузырьковидные, колбовидные и мешковидные
- трубчатые кристы (рис.6Б).
Эти типы крист встречаются во всех эукариотических царствах. Митохондриальные кристы растений и высших животных в основном относится к ламеллярному типу, хотя в некоторых тканях обнаружены митохондрии с везикулярными и трубчатыми кристами.
Среди остальных эукариот везикулярные кристы распространены так же широко, как ламеллярные и трубчатые. Так у Ciliophora-только трубчатые кристы, а у Cryptophyta -только ламеллярные. У некоторых организмов (Euglenophyta, Chlorophyta, Chrysophyta, Mycetozoa) вообще отличный от вышеперечисленных тип крист. У других (Sporozoa, Myxospora и Ascetospora.) же вообще встречаются смешанные типы.
Рисунок 6 A: Митохондрия с ангулярными кристами из сердечной мышцы. Б: Митохондрия с трубчатыми кристами из амебы. В: Митохондрия из коры надпочечника. Г: Митохондрия из астроцита. Д: Митохондрия из псевдобранхии рыбы. Е: Митохондрия из коры надпочечника (из клеток, секретирующих стероиды).
Количество и морфология крист отражают изменение активности митохондрий в зависимости от потребности клетки в энергии. Так, например, сильно складчатые ламеллярные кристы с обширной площадью поверхности характерны для интенсивно дышащих тканей, таких как мышечная и нервная.
Но может быть и так, что морфологические изменения митохондрий не обязательно связаны с дыхательной функцией митохондрий. В клетках, секретирующих стероиды, таких как клетки Лейдига (железистые клетки [гландулоцит] яичка), митохондрии могут очень сильно изменяться в размерах (что не характерно для митохондрий многоклеточных организмов), и порядок расположения в них крист так же своеобразен (рис.6 Е). [11].
Кристы могут также располагаться параллельно, гексагонально, образуя треугольники на поперечном сечении. Примером подобной структуры могут быть митохондрии сердечной мышцы (рис.6А), кристы которых на протяжении все длины образуют острые углы по направлению к соседней.
Наружная мембрана имеет постоянную площадь поверхности и поэтому может поддерживать фиксированные границы, в то время как внутренняя мембрана с огромной площадью поверхности вынуждена образовывать складки (выпячиваться), чтобы поместиться в имеющийся в распоряжении объем.
Межмембранное пространство разделяет внешняя и внутренняя мембраны, ширина его составляет около 10-20 нм. Здесь накапливаются различные киназы и протоны (рис.8), переносимые сюда из матрикса митохондрии при дыхании, создавая протонный градиент ΔμН, за счет электрохимической энергии которого образуется АТФ.
Внешняя митохондриальная мембрана
Во внешней мембране локализованы белки порины (рис. 7), обеспечивающие свободную проницаемость мембраны для неорганических ионов и метаболитов, а так же для белковых молекул, размер которых не превышает 10 кДа. Для больших по размеру белков внешняя мембрана является барьером и поэтому помогает удержать белки межмембранного пространства от утечки обратно в цитозоль.
Внешняя и внутренняя мембраны - транспорт белков в митохондрию
Белки, импортируемые в митохондриальный матрикс, обычно поступают из цитозоля в течение одной - двух минут после их отделения от полирибосом. Белки переносятся в матрикс митохондрии через зоны слипания, связывающие внешнюю и внутреннюю мембраны. Для этого переноса требуется гидролиз ATP, а также электрохимический градиент на внутренней мембране. Этот градиент образуется в процессе транспорта электронов по мере того, как протоны откачиваются из матрикса в межмембранное пространство.
Транспортируемый белок разворачивается, когда пересекает митохондриальные мембраны. Поскольку в развернутом состоянии и водорастворимые, и гидрофобные белки имеют сходную структуру, они могут быть перенесены с помощью общего механизма.
Белки, импортируемые в митохондриальный матрикс, почти всегда несут на N-конце сигнальный пептид длиной от 20 до 80 аминокислотных остатков. После поступления белка в митохондрию сигнальный пептид быстро удаляется при помощи специфической протеазы (сигнальной пептидазы) матрикса и затем, вероятно, деградирует в матриксе до аминокислот. Сигнальный пептид может быть исключительно простым. На втором этапе транспорта белок может переноситься во внутреннюю мембрану. Для этого он должен иметь еще гидрофобный сигнальный пептид; этот пептид открывается после удаления первого сигнала.
Импорт кодируемых ядерным геномом белков в митохондрии - сложный мультистадийный процесс [12,13,14]. Наряду с основным направлением импорта белков - в матрикс митохондрий - существуют пути импорта белков в другие митохондриальные субкомпартменты. Транслокация предшественников кодируемых ядерным геномом белков в митохондрии осуществляется как котрансляционная (импорт белков происходит одновременно с их синтезом, т. е. в процессе элонгации), так и посттрансляционная (включение их в мембрану митохондрий происходит только после окончания процесса их синтеза: белок-предшественник отделяется от полисомы и лишь после этого импортируется в митохондрию).
Метаболические функции митохондрий
В митохондриях за счет окислительной деградации питательных веществ синтезируется большая часть необходимых клетке АТФ. В митохондрии локализованы следующие метаболические процессы: превращение пирувата в ацетил-КоА, катализируемое пируватдегидрогеназным комплексом; цитратный цикл; дыхательная цепь, сопряженная с синтезом АТФ (сочетание этих процессов носит название окислительное фосфорилирование); расщепление жирных кислот путем β-окисления и частично цикл мочевины (рис.8). Митохондрии также поставляют клетке продукты промежуточного метаболизма и действуют на ряде с ЭР (эндоплазматическим ретикулюмом) как депо ионов Ca, которое с помощью ионных насосов поддерживает концентрацию Ca2+ в цитоплазме на постоянном низком уровне (ниже 1 мкмоль/л).
Главной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (жирные кислоты, пируват, углеродный скелет аминокислот) из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием СО2 и Н2О, сопряженное с синтезом АТФ.
Рисунок 8: Метаболические функции митохондрии (схематическое изображение [55]).
Реакции цитратного цикла приводят к полному окислению углеродсодержащих соединений (СО2) и образованию восстановительных эквивалентов, главным образом в виде восстановленных коферментов. Большинство этих процессов протекает в матриксе. Ферменты дыхательной цепи, которые реокисляют восстановленные коферменты, локализованы во внутренней мембране митохондрий. В качестве доноров электронов для восстановления кислорода и образования воды используются НАДН и связанный с ферментом ФАДН2. Это высоко экзергоническая реакция является многоступенчатой и сопряжена с переносом протонов Н+ через внутреннюю мембрану из матрикса в межмембранное пространство. В результате на внутренней мембране создается электрохимический градиент. В митохондриях электрохимический градиент используется для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата при катализе АТФ-синтазы. Электрохимический градиент является также движущей силой ряда транспортных систем.
Началом изучения дыхания принято считать классические опыты А. Лавуазье, который еще в 1777 году показал, что “чистый воздух, войдя в легкие, выходит из них частично в виде связываемого воздуха или меловой кислоты. Следовательно, чистый воздух, проходя через легкие, претерпевает такое же разложение, которое имеет место при горении угля”. Теперь мы знаем, что меловая кислота это ни что иное, как углекислый газ (CO2).
К началу XX века уже было известно, что ткани млекопитающих катализируют окисление органических кислот кислородом воздуха. Тунберг и Виланд предположили существование в тканях дегидрогеназ (активаторов атомов водорода в молекулах субстратов). Варбург же считал, что катализ обусловлен железосодержащим ферментом (дыхательным ферментом), активирующим химически инертный кислород. Оба оказались правы. В тоже время Кейлин обнаружил в тканях пигменты (цитохромы), окраска которых зависела от наличия кислорода в клетке и от активности дыхательного фермента Варбурга. В 50х годах стало ясно, что некоторые дегидрогеназы, цитохромы Кейлина и дыхательный фермент Вырбурга (дыхательная цепь) прочно связаны с внутренними мембранами митохондрий. В 60х годах Грин разработал методы разделения, выделения и очистки компонентов дыхательной цепи.