СТРОЕНИЕ МИТОХОНДРИЙ КЛЕТОК ЭУКАРИОТ

Оболочка митохондрии состоит из двух мембран, между которыми располагается замкнутое межмембранное пространство шириной 10—20 нм. На некоторых участках наружная и внутренняя мембраны слипаются, формируя участки, через которые в матрикс митохондрии поступают протеины, синтезированные в эндоплазматической сети цитоплазмы вместе с белками-переносчиками. Ограниченное внутренней мембраной пространство является матриксом. Он содержит большую часть ферментов, которые определяют активность цикла Кребса, здесь же происходит окисление ЖК, располагаются митохондриальные ДНК, РНК и рибосомы.

Внутренняя мембрана образует гребневидные складки — кристы, что увеличивает площадь поверхности внутренней мембраны. Специфичным для ФЛ внутренней мембраны митохондрий является присутствие кардиолипина, который содержит две ортофосфорные группы и четыре цепи ЖК; это делает мембрану непроницаемой для протонов Н+. Второй особенностью внутренней мембраны митохондрий является высокое содержание белка (до 70% по массе) — это транспортеры, ферменты дыхательной цепи, а также крупные АТФ-синтетазные комплексы.

Наружная мембрана отделяет митохондрии от цитоплазмы, она замкнута, ее поверхность ровная. Наружная мембрана имеет мелкие отверстия, которые сформированы филогенетически ранним (3-складчатым, каналообразующим белком порином (филогенетически ранние мембранные каналы). Через них митохондрии поглощают ионы и молекулы массой до 5 кДа. Кроме того, в наружной мембране присутствуют ферменты: монооксигеназы, ацил-КоА-синтетазы и ФЛ-2. На внутренней стороне мембраны, которая обращена к матриксу, располагаются АТФ-синтетазы. При прохождении потока протонов здесь происходит синтез АТФ. В структурах мембраны располагаются компоненты дыхательной цепи. Наружная и внутренняя мембраны в некоторых местах соприкасаются. Здесь располагаются специфичные белки-рецепторы, которые переносят белки, синтезированные в рибосомах, в матрикс митохондрии. В матриксе находятся ферментные системы окисления пирувата и Р-окисления ЖК, а также цикла трикарбо-новых кислот (цикла Кребса). ДНК митохондрий представлена замкнутой кольцевой двуспиральной молекулой, которая ~ в 10" раз меньше ДНК, локализованной в ядре. Митохондрии имеют собственный генетический аппарат и собственную систему синтеза белка (рис. 1.1 (?3).

Молекулы

Межмембранное АТФ-синтазы пространство

Гранулы

Внутренняя мембрана Наружная мембрана

С 1- Рис. 1.1. Строение митохондрий эукариотических клеток

Кристы Рибосомы

Образование АТФ — универсальной формы химической энергии в клетке — происходит двумя путями: 1) в результате фосфорилирования глюкозы в цитоплазме в сопряженных реакциях гликолиза и 2) в процессе фосфорилирования на внутренней мембране митохондрий пирувата, образованного в цитоплазме, что связано с использованием энергии трансмембранного электрохимического градиента протонов. Митохондрии реализуют оба эти пути. Своеобразие митохондрий как энергообразующих органелл эукариотических клеток определяет второй путь образования АТФ. По сути, это превращение химической энергии восстанавливающих эквивалентов НАДН+ в электрохимический градиент протонов по обе стороны внутренней мембраны митохондрий, оно и приводит в действие мембранносвязанную АТФ-синтетазу, завершая образование макроэргической связи в АТФ.

Образование энергии в митохондриях можно разделить на четыре основных стадии, две первые протекают в матриксе, а две последние — на кристах митохондрий: 1) превращение поступивших из цитоплазмы в митохондрии пирувата и ЖК в форме ацетил-КоА в активированную, неполярную форму ацетил-КоА; 2) окисление ацетил-КоА в цикле Кребса с образованием НАДН; 3) перенос электронов с НАДН на кислород по дыхательной цепи; 4) образование АТФ в результате функции мембранной АТФ-синтетазы.

Дальнейшее формирование энергии в митохондриях проходит на кристах и связано с переносом электронов от НАДН к 02. Так как потребление 02 как окислителя обычно называют внутриклеточным дыханием, электронно-транспортную цепь ферментов, которые последовательно переносят электроны от НАДН к 02, именуют дыхательной цепью. Превращение энергии окисления осуществляют ферменты, которые располагаются на кристах митохондрий и формируют векторный (направленный) перенос Н+ из матрикса митохондрии в межмембранное пространство. В этом состоит принципиальное отличие работы оксидоредуктаз дыхательной цепи от функции ферментов, которые катализируют реакции в гомогенном (изотропном) растворе, где о направленном перемещении вопрос не стоит. В дыхательной цепи митохондрий в мембране функционируют липофильные молекулы убихинона, а также небольшие (молярная масса 13 кДа) водорастворимые белки, которые содержат ковалентно связанный гем — цитохром ы с.

В цитоплазме в 10 отдельных (сопряженных) ферментативных реакциях С6 молекула глюкозы частично окисляется до двух СЗ молекул пирувата с образованием двух молекул АТФ. Затем пируват-белки переносят из цитоплазмы через наружную и внутреннюю мембраны в матрикс митохондрий, где он превращается в ацетил-КоА по общему пути: глюкоза —> пировиноградная кислота —» ацетат —» ацетил-КоА. Процесс катализирует пируватдегидроге-назный, мультиферментный комплекс. ЖК, которые образуются при гидролизе (превращении) ТГ в каплях липидов цитоплазмы или поступают в форме НЭЖК из межклеточной среды, при взаимодействии с коэнзимом А-БН образуют неполярные тио-эфиры ЖК — ацил-КоА.

Из всех ацил-КоА (активированных ЖК) только пальмитоил-КоА может быть перенесен через внутреннюю мембрану в матрикс митохондрий, поскольку только для него мембрана имеет специфичный транспортер карнитин-пальмитоил-ацилтрансферазу. Действующим началом транслоказы является карнитин — производное С4 масляной ЖК. В целях переноса через внутреннюю мембрану митохондрий происходит переэтерификация пальмитиновой НЖК из состава пальмитоил-КоА в состав карнитин-пальмитоил, который далее транспортер карнитин-пальмитоил-ацилтрансфе-раза переносит в матрикс митохондрий. В матриксе карнитин-пальмитоил вновь превращается в пальмитоил-КоА.

Можно полагать, что реакции периэтерификации: пальмитоил-КоА —> карнитин-пальмитоил —> пальмитоил-КоА происходят в силу того, что:

  • 1) митохондрии изначально являлись органеллами архей, которые являются более древними, чем автотрофы;
  • 2) в окислении ЖК и наработке АТФ были задействованы кар-нитиновые эфиры ЖК;
  • 3) длинноцепочечной ЖК, которую окисляли митохондрии, была только пальмитиновая НЖК; вероятно, на ранних ступенях филогенеза это была единственная длинноцепочечная ЖК.

Согласно филогенетической теории общей патологии биологические, методологические приемы преемственности и субординации, филогенетически более поздние биохимические процессы не в силах изменить то, что сформировано на более ранних ступенях филогенеза: позже сформированные биохимические реакции они могут только совершенствовать. Поэтому, если прокариоты «приватизировали» митохондрии архей, которые одни умели синтезировать АТФ, то к особенностям этих биохимических процессов всем клеткам пришлось приспособиться. Важным, по нашему мнению, является и то, что перенос пальмитиновой НЖК через внутреннюю мембрану митохондрий инициирует молекула карнитина, который, как и КТ, является производным С4 масляной ЖК.

В митохондриях ацил-КоА подвергается (3-окислению с образованием ацетил-КоА; при этом в матриксе формируется общий пул ацетил-КоА как из пирувата (из глюкозы), так и из ЖК. На следующем этапе также в матриксе образованный из ацил-КоА и из пирувата пул ацетил-КоА окисляется в цикле Кребса. Ацетил-КоА взаимодействует с оксалацетатом (щавелевоуксусной дикарбоновой кислотой) с образованием трикарбоновой лимонной кислоты; происходит это в аэробных условиях. Последняя в цикле биохимических превращений опять превращается в оксалацетат, а молекула ацетата окисляется до Н20 и С02. При этом образуются АТФ, а также НАДН+ — высокоэнергетическое промежуточное соединение, которое легко отдает свой электрон в цепь переноса на кристах митохондрий.

Завершающим в митохондриях является образование АТФ, которое осуществляет встроенный во внутреннюю мембрану ма-кромолекулярный комплекс молекулярной массой 500 кДа — АТФ-синтетаза. Она и катализирует синтез АТФ путем конверсии энергии трансмембранного электрохимического градиента Н+ в энергию макроэргической связи АТФ. В молекуле АТФ-синте-тазы выделены две субъединицы белка, которые можно уподобить

компонентам электрического мотора: ротору и статору. «Статор» неподвижен относительно мембраны. Подвижны в этой конструкции «ротор» и каталитические центры, которые преобразуют АДФ и ион ортофосфата в молекулу АТФ.

Ацетил-СоА (С4)

Лимонная кислота (С6)

Нс-СоА

Оксалоцитат (С4)

ЗАТО

Яблочная кислота (С4)

Цис-аксонитовая кислота (С6)

Изолимонная кислота (С6)

Фумаровая кислота (С4)

у 3 АТФ

а-кетоглутаровая кислота (С5)

4 ) 3 АТФ

Сукцинил-СоА (С4)

1 АТФ

Янтарная кислота (С4)

Рис. 1.2. Цикл Кребса (цикл лимонной кислоты):

1 — цитрат-синтаза; 2 — аконитат гидролаза; 3 — изоцитратдегидрогеназа; 4 — а-кетоглютаратдегидрогеназный комплекс; 5 — сукцинил-КоА-синтаза; 6 — сукци-натдегидрогеназа; 7 — фумаратдегидрогеназа (фумараза); 8 — малатдегидрогеназа. Горизонтальная линия со стрелкой сверху — освобождение ацетата из ацетил-КоА

при действии тиолазы и образование КоА-БН

Движущей силой для работы АТФ-синтетазы является протонный потенциал, создаваемый на внутренней мембране митохондрий. Сила, приводящая в движение «ротор» АТФ-синтетазы, возникает при достижении разности потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны митохондрий > 220 мВ (рис. 1.2).

Работа АТФ-синтетазы включает конформационные изменения формы молекулы — «механическое» движение ее частей, что позволяет говорить о вращательном катализе. АТФ поступает в цитоплазму, где клетка расходует его при совершении энергозави-

симых реакций. Освобождение осуществляет специфичный белок мембраны митохондрий — АТФ/АДФ-транслоказа, который обменивает АТФ на цитоплазматический АДФ, что позволяет поддерживать пул АДФ в матриксе митохондрий. Мутации в ДНК митохондрий наследуются по материнской линии. Каждая митохондрия имеет несколько участков нуклеотидов в ДНК, которые идентичны во всех митохондриях (копии митохондриальных ДНК), что важно для митохондрий, которые не могут восстанавливать структуру ДНК после повреждений. Мутации в структуре закольцованной ДНК при отсутствии теломеров являются причиной наследственных заболеваний митохондрий. Все это можно расценивать так: генетический аппарат, как и сами митохондрии, филогенетически более древний, чем самые ранние эукариоты (рис. 1.3).

Пи ру ват

Жирные

кислоты

Биохимические и физико-химические реакции в матриксе и во внутренней мембране митохондрий при окислении пирувата и ЖК

Рис. 1.3. Биохимические и физико-химические реакции в матриксе и во внутренней мембране митохондрий при окислении пирувата и ЖК

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >