1.3.1. Внутренняя мембрана митохондрий: , на которой локализована дыхательная цепь, отличается, как известно,

Жизнь и смерть митохондрий

1.3.1. Внутренняя мембрана митохондрий: , на которой локализована дыхательная цепь, отличается, как известно,

Митохондрии – маленькие труженики или большие начальники? Если вы думаете, что самая важная для нас история совместной жизни начинается во время свадьбы, то это совсем не так.

Самая важная история совместной жизни каждого человека началась более миллиарда лет назад, когда наши далекие одноклеточные предки вынуждены были подписать «брачный контракт» с теми, кого мы сейчас называем митохондрии (см. теория симбиогенеза). Митохондрии имеют две мембраны (внутреннюю и внешнюю) и собственный наследственный материал в виде ДНК (рис.1).

На внутренней мембране митохондрий находится система окислительного фосфорилирования, работа которой обеспечивает окисление энергетических субстратов с образованием АТФ.
Рис. 1. Схематическое строение митохондрии В брачном контракте клетки и митохондрии нет пункта «в болезни и здравии», — и хорошо.

Если митохондрия становится старой, клетка может ее убить в процессе митофагии, а митохондрии, в свою очередь, регулируют процесс апоптоза у недееспособных и старых клеток. Если процесс обоюдного контроля качества нарушается, запускаются механизмы старения. Нарушаются механизмы апоптоза, увеличивается количество свободных радикалов, не контролируемых митохондрией.

Это вызывает системное воспаление, повреждение ДНК клетки. Таким образом, есть сильная взаимосвязь между МХ дисфункцией, возраст-зависимыми заболеваниями, старением организма и метаболическими дисфункциями [1]. Метаболическая дисфункция – неизменный всадник апокалипсиса старения.

«Как белка в колесе» — динамика митохондрий

Не вся вина за метаболические нарушения лежит на нашем переедании. Метаболические нарушения связывают, в первую очередь, с неспособностью митохондрий справиться с питательными веществами. Митохондриям в клетке приходится нелегко.

Мы «кормим» свои клетки то слишком много, то слишком мало, а предъявляем им «заявку» выдать энергию в виде АТФ, количество которой точно должно соответствовать нашим потребностям. Для того чтобы регулярно «выкручиваться» из этой ситуации митохондрии и правда используют некоторые «движения» — деление (fission) и слияние (fusion).

Эти «митодвижения» объединяют под названием «динамика митохондрий». Баланс между делением и слиянием митохондрий — центральный механизм биоэнергетической адаптации к метаболическим потребностям клетки [2, 3]. Больше всего митохондрий находится в тканях с высокими энергетическими потребностями, — мышцы, печень, бурая жировая ткань, мозг.

Неудивительно, что и динамика митохондрий в этих тканях изучена лучше. Итак, если в клетку какой-либо из этих тканей (кроме некоторых нейронов в мозге, об этом потом) поступает большое количество питательных веществ (поступление превышает затраты), то митохондрии находятся в разделенном (фрагментированном) состоянии.

Если клетка находится в состоянии голода (поступления меньше затрат), то происходит слияние митохондрий и они находятся в соединенном состоянии. [3,4]. Так поддерживается гомеостаз клетки (рис.2).
Рис.

2 Регулирование морфологии и биоэнергетической эффективности митохондрий в ответ на избыточное или недостаточное поступление питательных веществ [из 2]

Клеточный метаболический гомеостаз зависит от баланса между потреблением питательных веществ и их расходом.

Перемены в поставке питательных веществ приводит к клеточным адаптациям для восстановления баланса. Избыток питания приводит к фрагментации митохондриальной сети, что вызывает снижение биоэнергетической эффективности митохондрий. Это позволит избежать потерь энергии. Напротив, при метаболическом голоде митохондрии удлиняются, чтобы увеличить свою биоэнергетическую эффективность.

В чем хитрость этих движений? Если клетка находится в состоянии голода, то слияние митохондрий позволяет увеличить их биоэнергетическую эффективность (количество АТР, которое создается на молекулу питательного вещества). Если же в клетку поступает избыток питательных веществ, то их можно либо 1) запасти, либо 2)рассеять эту энергию в виде тепла. Задача митохондрий в этом случае, — рассеять больше энергии в виде тепла, запасти меньше в виде АТФ (накопление NADH и АФК приведет к окислительному стрессу). Фрагментация митохондрий позволяет им снизить биоэнергетическую эффективность, главным механизмом снижения которой считается «утечка» протонов. Так что, мы ходим на работу, а жизнь митохондрий постоянно протекает в режиме цикла деления и слияния (рис 3).
Рис.3Баланс энергопотребления и энерогообеспечения связан с соответствующими изменениями архитектуры митохондрий и их биоэнергетической эффективностью [из 3]
Физиологические процессы, связанные с увеличением спроса на энергию и снижением энергопоставок, (например, острый стресс, голодание и фаза G1/S) характеризуются удлинением митохондрий и дыханием, связанным с синтезом АТФ. С другой стороны, физиологические процессы, связанные с уменьшением спроса на энергию и увеличением ее поставок (высокий уровень питательных веществ, ожирение и диабет типа 2), связаны с фрагментацией митохондрий, выделением тепла или снижением функции митохондрий.

Здоровые циклы деления и слияния – залог метаболического здоровья клетки

Нормальный цикл деления митохондрий и их слияния является ключевым звеном контроля их качества.

Почему? При делении митохондрий образуется две дочерние, одна из которых имеет более высокий мембранный потенциал и идет дальше в цикл слияния-деления, а другая, с более деполяризованной мембраной, остается отделенной до восстановления мембранного потенциала. Если потенциал восстанавливается, — она воссоединяется с митохондриальной сетью.

Если она остается деполяризованной, то она элиминируется в процессе аутофагии, что является залогом качества пула митохондрий (рис.4). Длительное ингибирование деления митохондрий (при длительном клеточном голодании) приводит к накоплению поврежденных митохондрий, которые не могут быть сегрегированы [3, 4].

С другой стороны, избыток питательных веществ приводит к ингибированию слияния митохондрий, что приводит к нарушению цикла митохондриальной динамики, увеличивает внутриклеточную митохондриальную гетерогенность.

Да, при избытке еды фрагментация митохондрий протективна, однако длительная фрагментация, как и длительное слияние, вредна для контроля качества митохондрий. Не происходит селективного удаления, митохондриальная масса будет уменьшаться и состоять из небольших деполяризованных митохондрий.
Рис.4Жизненный цикл митохондрий и его регулирование доступностью питательных веществ [из 3]

Митофузины – не просто какие-то белки

На молекулярном уровне слияние митохондрий является двухстадийным процессом, который требует координированного слияния внешней и внутренней мембран в ходе отдельных последовательных событий. У млекопитающих этот процесс регулируется тремя белками, которые относятся к GTPазам: Mfn1 и Mfn2 необходимы для слияния внешней мембраны, а ОРА1 – для слияния внутренней мембраны.

Для деления нужны другие белки, — Fis1 и Drp1. Роль белков-митофузинов была изучена в loss- and gain-of function studies. Мышки, мутантные по белкам-митофузинам, погибают еще в mid-gestation, потому что у них невозможным становится слияние митохондрий. Митофузины важны для процессов аутофагии и митофагии.

Снижение экспрессии Mfn2 в кардиомиоцитах блокирует запуск процесса аутофагии, потому что блокируется слияние аутофагосом с лизосомами. Истощение Mfn2 приводит к снижению потенциала мембран митохондрий, для компенсации происходит снижение работы дыхательной цепи, возрастает поглощение глюкозы и снижается синтез гликогена.

Клетка переходит на анаэробный глиоклиз, а это – путь к онкологическому перерождению клетки. Дефицит Mfn2 приводит к нейродегенеративным изменениям. Повышение экспрессии Mfn2 в скелетных мышцах повышает их чувствительность к инсулину.

Mfn1 выполняет сходные функции, однако, вероятно, в других тканях (экспрессия Mfn2 и Mfn1 различается в разных тканях) – Mfn1 экспрессируется в большей степени в сердце, печени, поджелудочной, яичках, а Mfn2 в сердце, скелетных мышцах, мозге, бурой жировой ткани. Таким образом митофузины являются ключевыми регуляторами динамики митохондрий.

Экспрессия митофузинов различна в различных органах, они обеспечвают биоэнергетическую эффективность и механизмы адаптации к доступности питательных веществ, а также от них зависит «судьба» клетки. Не удивительно, что митохондриальные fusion белки являются потенциальными таргетами фармакологических вмешательств [2, 5].

Гипоталамус, митохондрии, метаболическая дисфункция и старение

Динамика митохондрий важна во всех клетках. В бета-клетках поджелудочной железы митохондрии являются сенсорами питательных веществ и генераторами сигналов синтеза инсулина, в мышцах динамика митохондрий важна для регуляции метаболизма глюкозы и т.д.

Однако человек не просто совокупность клеток разного типа, каждая из которых принимает самостоятельные решения. Организм – это система, у которой есть центральное регуляторное звено поддержания гомеостаза энергии и глюкозы. Этим главным регулятором является гипоталамус.

Гипоталамус расположен в промежуточном мозге и именно он обеспечивает взаимосвязь нервной и гуморальной систем регуляции. Нейроны гипоталамуса воспринимают, обрабатывают и реагируют на сигналы от жировой ткани (лептин), поджелудочной железы (инсулин), и прочие гормональные стимулы (грелин, холецистокинин, панкреатический полипептид и др.).

Гипоталамус управляет деятельностью эндокринной системы человека благодаря тому, что его нейроны способны выделять нейроэндокринные трансмиттеры, стимулирующие или угнетающие выработку гормонов гипофизом.

Иными словами, гипоталамус, масса которого не превышает 5 % мозга, является центром регуляции эндокринных функций и поддержания гомеостаза всего организма. Еще Дильман (Дильман В.

М «Большие биологические часы») указывал на ведущую роль гипоталамуса в планомерном развитии метаболической дисфункции, приводящей к ожирению, сахарному диабету, сердечно-сосудистым, онкологическим заболеваням и старению.

Согласно сформированной Дильманом теории гиперадаптоза чувствительность рецепторов гипоталамуса к сигналам, поступающим от тканей организма (лептин, инсулин и др.) постепенно планомерно снижается с возрастом. Для того, чтобы вызывать его «ответ» нужно все больше и больше того или иного гормона, — больше инсулина, больше лептина.

Развивается инсулин- и лептинрезистентность, метаболические заболевания, приводящие к старению и смерти. В зависимости от выполняемых функций группы нейронов объединяют в ядра гипоталамуса. Одно из них – аркуатное (дугообразное) ядро является ключевым регулятором пищевого поведения и обмена веществ.

В нем могут образовываться орексигенные нейропептиды (стимулируют аппетит) и анорексигенные (подавляют аппетит), относящиеся, соответственно к AgRP и POMC нейронам. Периферические сигналы (инсулин, грелин, лептин и др) влияют на экспрессию пептидов, стимулирующих либо подавляющих аппетит, что обеспечивает слаженность центральной регуляции (рис.5).
Рис. 5. Гипоталамический контроль метмболизма энергии. Мозг интегрирует метаболические сигналы (лептин, инсулин, грелин, PYY3-36) от периферических тканей, таких как поджелудочная железа, жировая ткань, желудок. В мозге специализированные нейронные сети координируют адаптивные изменения в поглощении и расходе пищи [из 5].

Так кто и как регулирует чувствительность нейронов гипоталамуса?

Изучение динамики митохондрий в тканях мозга показало, что динамика митохондрий играет существенную роль в способности нейронов гипоталамуса контролировать уровень глюкозы и гомеостаз энергии в организме [6,7,8].

В AgRP нейронах (hunger-promoting AgRP neurons), которые стимулируют аппетит и регулируют набор массы, голодание приводит к делению митохондрий, а high-fat feeding – к слиянию. То есть ответ митохондрий отличается от такового в большинстве других клеток.

Слияние МХ в этих нейронах регулирует электрическую активность в ответ на высокожировую диету, стимулируя выработку орексигенного пептида (AgRP пептида) оно необходимо для набора веса и отложения жира при избытке питательных веществ.

Делеции Mfn1 и Mfn2 в этих нейронах приводили к меньшему набору веса у крыс за счет снижения уровня циркулирующего лептина. РОМС нейроны (подавляют аппетит) имеют противоположную функцию, и динамика митохондрий в ответ на поступление питательных веществ у них иная.

Снижение экспрессии митофузинов в этих нейронах приводит к нарушению связи митохондрий с ЭПС, а в результате – гиперфагия, лептинрезистентность и ожирение. При этом возрастало употребление пищи, а энергозатраты снижались. Таким образом, ответ организма на высокожировую диету зависит от паттернов динамики митохондрий в нейронах гипоталамуса.

Ремоделирование митохондрий в нейронах обеспечивает их ответ на поступление в организм питательных веществ, стимулирует выработку нейропептидов, которые будут либо стимулировать либо подавлять аппетит, влияя на метаболизм на уровне организма (Рис.6).
Рис.6.

Метаболическая адаптация к стимулам окружающей среды [из 2] В ответ на экзогенные стимулы Mfns вовлечены в трансдукцию метаболического сигналинга в разных органах, что обеспечивает поддержание гомеостаза энергии всего организма. В частности, в ответ на потребление пищи, изменения температуры, стресс или физические упражнения, бурая жировая ткань, мозг, сердце или скелетные мышцы адаптируют свой метаболизм для контроля питания, веса тела, сократительных функций, антиоксидантного ответа или чувствительности к инсулину.

Как повлиять на динамику митохондрий?

1. Питание и физические упражнения Циклы питания Избыток пищи и высокожировая диета (HFD) ингибирует слияние митохондрий в клетках (в некоторых нейронах мозга механизм иной).

Незавершенный цикл деления-слияния митохондрий нарушает процессы аутофагии → увеличивается внутриклеточная гетерогенность митохондрий → не происходит селективного удаления митохондрий → накапливаются митохондрии с дисфункцией.

Calorie restriction (fed/fasting cycle) стимулирует биоэнргетическую адаптацию, обеспечивая работу механизмов качества митохондрий.

2. Здоровые мембраны: стеариновая кислота, кардиолипин, фосфатидная кислота

От «здоровья» мембран митохондрий зависят все ключевые процессы, — аутофагия, митофагия, апоптоз, связь митохондрий с эндоплазматической сетью, динамика митохондрий. Мембраны клеточных органелл состоят из липидов и из белков. Ремоделирование этих мембран контролируется взаимодействиями между специфическими липидами и белками. К насыщенным жирным кислотам относится пальмитиновая (С16) и стеариновая (С18). Показано, что употребление стеариновой кислоты (C18:0) стимулирует процесс слияния митохондрий. Действие ее связано с влиянием на митофузины. У мышей диетические добавки стеариновой кислоты могут частично восстанавливать митохондриальную дисфункцию, вызванную мутациями в генах Pink1 или parkin. В нейтрофилах людей, находящихся 2 дня на low-С18:0 диете, митохондрии находятся во фрагментированном состоянии (50% клеток имели фрагментированные МХ, 10 % соединенные МХ). Употребление стеариновой кислоты приводило у них к слиянию митохондрий через 3 часа [8]. Таким образом., стериновая кислота важна для поддержания циклов динамики митохондрий. Больше всего стеариновой кислоты находится в какао-бобах (31-34 %). Фосфолипиды – основные компоненты мембран органелл. Они также регулируют динамику митохондрий, при этом их влияние различно [9]. Кардиолипин (СL) стимулирует деление митохондрий и слияние внутренних мембран. Кардиолипин необходим для работы комплекса IV (цитрохром С оксидазы) электронтранспортной цепи. Кардиолипин находится практически исключительно во внутренней мембране митохондрий. С возрастом происходит снижение количества кардиолипина. Есть теория, что потеря функции кардиолипина связана с заменой насыщенных жирных кислот в его молекуле полиненасыщенными жирными кислотами. Для решения этого вопроса необходимо вводить в рацион насыщенные жиры, богатые, в первую очередь, стеариновой жирной кислотой. Для повышения эффективности доставки насыщенных жирных кислот в мембрану возможно использование переносчиков. Например, – использование насыщенного фосфатидилхолина (дипальмитофосфатидилхолин и дисероилфосфатидилхолин), который, потенциально, сможет доставить насыщенные ЖК прямо в кардиолипин [10]. Холин, как переносчик, легко проходит через цитозоль и поступает в митохондрии. Фосфатидная кислота (РА) ингибирует митохондриальное деление и стимулирует слияние внешних мембран (рис.7).
Рис.7Регулирование слияния митохондрий фосфатидной кислотой (PA) и кардиолипином (CL) [из 9]. Во внешней мембране (ОМ) РА стимулирует митофузин-опосредованное (Mfn) слияние. Во внутренней мембране (IM) CL стимулирует Opa1-опосредованное слияние. Сокращения: ER — эндоплазматический ретикулум; MitoPLD,- митохондрия-локализованная фосфолипаза D.

3. Регуляция экспрессии митофузинов (белков, отвечающих за динамику митохондрий)

Все, о чем мы говорили выше (сalorie restriction, стеариновая кислота, фосфолипиды) действуют, влияя на экспрессию митофузинов. Помимо этого, есть ряд препаратов, которые опосредованно могут влиять на динамику митохондрий. К ним можно отнести использование метформина. Наиболее интересным является использование веществ, которые способны напрямую влиять на экспрессию митофузинов. Одним из потенциальных препаратов назван лефлюномид (leflunomide), который был одобрен FDA [5,11]. Он является индуктором экспрессии Mfn1 и Mfn2, а зарегистрирован был как препарат для лечения ревматоидного артрита.

Генная терапия митохондрий

Нарушение динамики митохондрий может быть связано с нарушением экспрессии белков, отвечающих за слияние и деление митохондрий. Помимо этого, нарушение функции этих белков может быть связано (и это и происходит чаще всего) с их мутациями. Тут есть два подхода к рассмотрению причинно-следственных взаимодействий нарушения функции митохондрий.

Ранее считалось, что образ жизни, в том числе переедание, приводит к образованию свободных радикалов, окислительному стрессу, мутациям митохондриального генома и, последовательно, нарушениям функциии митохондрий.

Однако, в последнее время есть убедительные доказательства того, что мутации митохондриальной ДНК неизбежны, есть у всех (heteroplasmic DNA point mutations) и связаны с ошибками репликации, а не с оксидативными повреждениями, к которым митохондриальная ДНК довольно устойчива [12]. Уже на этапе оплодотворенной яйцеклетки часть наших митохондрий несут мутации.

Со временем они делятся, мутантных митохондрий становится больше, они не могут нормально выполнять свою функцию.
Рис. 8Клональное экспансия мутированных молекул мтДНК может приводить к митохондриальной дисфункции или может быть «спасено» компенсационным биогенезом [из 12].

Тут очень кстати можно было бы использовать редактирование генома митохондрий in vivo. Было показано, что для heteroplasmic DNA point mutations у мышей уже был достигнут значительный успех при помощи targeted zinc-finger nucleases (mtZFN) с доставкой при помощи аденовирусного вектора [13].

Перенос митохондрий

Другой многообещающий метод устранения дисфункции митохондрий – это трансплантация митохондрий. Суть этого подхода сводится к «замене» поврежденных митохондрий здоровыми экзогенными митохондриями. Впервые данный подход был использован клинически у детей с ишемией миокарда.

Для трансплантации использовали аутологичные изолированные митохондрии, которые изолировали при прямой мышцы живота (делали биопсию, а затем готовили препарат), а затем вводили путем прямой инъекции [14].

Прорабатываются различные подходы введния митохондрий: прямое инъецирование изолированных митохондрий (локальное введение) и системное введение в кровоток, когда митохондрия сама «ищет» в какую клетку ей отправиться.

Группы исследователей изучают возможность трансплантации митохондрий при болезни Паркинсона, ишемии печени, инсульте, митохондриальных заболеваниях [15].
Рис.9 Способы доставки экзогенных митохондрий в клетку

Автор Ольга Борисова

Литература1. Kauppila, Timo ES, Johanna HK Kauppila, and Nils-Göran Larsson. «Mammalian mitochondria and aging: an update.» Cell metabolism 25.1 (2017): 57-71.
www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1550413116305022 2. Schrepfer, Emilie, and Luca Scorrano. «Mitofusins, from mitochondria to metabolism.» Molecular cell 61.5 (2016): 683-694.

www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1097276516001337#fig1

3. Marc Liesa, Orian Shirihai “Mitochondrial Dynamics in the Regulation of Nutrient Utilization and Energy Expenditure” Cell methabolism (2013): 491-506

www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1550413113001046#fig3

4. Ramos, Eduardo Silva, Nils-Göran Larsson, and Arnaud Mourier. «Bioenergetic roles of mitochondrial fusion.» Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Bioenergetics 1857.8 (2016): 1277-1283.

www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0005272816300858

5. Cunarro, Juan, et al. «Hypothalamic mitochondrial dysfunction as a target in obesity and metabolic disease.» Frontiers in endocrinology 9 (2018): 283.

www.frontiersin.org/articles/10.3389/fendo.2018.00283/full

6. Marcelo O.Dietrich et al. «Mitochondrial Dynamics Controlled by Mitofusins Regulate Agrp Neuronal Activity and Diet-Induced Obesity”.

www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867413010957#figs2

7. Steculorum, Sophie M., and Jens C. Brüning. „Sweet mitochondrial dynamics in VMH neurons.“ Cell metabolism 23.4 (2016): 577-579.

www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1550413116301176

8. Senyilmaz-Tiebe, Deniz, et al. „Dietary stearic acid regulates mitochondria in vivo in humans.“ Nature communications 9.1 (2018): 3129.

www.nature.com/articles/s41467-018-05614-6

9. Kameoka, Shoichiro, et al. „Phosphatidic Acid and Cardiolipin Coordinate Mitochondrial Dynamics.“ Trends in cell biology (2017).

www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0962892417301587

10. raypeatforum.com/community/threads/mitolipin-liquid-saturated-phosphatidylcholine-pc-mix.10398 11. Miret-Casals, Laia, et al. „Identification of new activators of mitochondrial fusion reveals a link between mitochondrial morphology and pyrimidine metabolism.“ Cell chemical biology25.3 (2018): 268-278. 12. Kauppila, Timo ES, Johanna HK Kauppila, and Nils-Göran Larsson. „Mammalian mitochondria and aging: an update.“ Cell metabolism 25.1 (2017): 57-71. 13. Gammage et al. “Genome editing in mitochondria corrects a pathogenic mtDNA mutation in vivo” Nature medicine, 2017

www.nature.com/articles/s41591-018-0165-9

14. Emani, Sitaram M., et al. „Autologous mitochondrial transplantation for dysfunction after ischemia-reperfusion injury.“ The Journal of thoracic and cardiovascular surgery 154.1 (2017): 286-289.

www.jtcvs.org/article/S0022-5223(17)30258-1/fulltext

15. McCully, James D., et al. „Mitochondrial transplantation: From animal models to clinical use in humans.“ Mitochondrion 34 (2017): 127-134.

www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1567724917300053

Источник: https://habr.com/post/424573/

Дыхательная цепь

1.3.1. Внутренняя мембрана митохондрий: , на которой локализована дыхательная цепь, отличается, как известно,

Строение дыхательной цепи (ДЦ), комплексы, ингибиторы. Механизм работы. Пункты сопряжения, величина ОВП компонентов ДЦ. Коэффициент Р/О, его значение.

Поэтапное «контролируемое сгорание» достигается путём промежуточного включения дыхательных ферментов, обладающих различным редокс-потенциалом. Редокс-потенциал (окислительно-восстановительный потенциал) определяет направление переноса протонов и электронов ферментами дыхательной цепи (рис.1).

Редокс-потенциал выражается значением электродвижущей силы (в вольтах), которая возникает в растворе между окислителем и восстановителем, присутствующих в концентрации 1,0 моль/л при 25˚ С (при рН=7,0 оба находятся в равновесии с электродом, который может обратимо принимать электроны от восстановителя). При рН=7,0 редокс-потенциал системы Н2 /2Н++2ē равен 0,42 v. Знак означает, что данная редокс-пара легко отдаёт электроны, т.е. играет роль восстановителя, знак + указывает на способность редокс-пары принимать электроны, т.е. играть роль окислителя. Например, редокс-потенциал пары НАДН∙Н+/ НАД+ равен – 0,32 v, что говорит о высокой её способности отдавать электроны, а окислительно-восстановительная пара ½О2 /Н2О имеет наибольшую положительную величину +0,81 v, т.е. кислород обладает наивысшей способностью принимать электроны.

В процессе окисления АцКоА в ЦТК, восстановленные формы НАДН2 и ФАДН2 поступают в ДЦ, где энергия электронов и протонов трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ.

ДЦ – совокупность дегидрогеназ, которые транспортируют электороны и протоны с субстрата на кислород.

Принципы функционирования ДЦ основаны на 1-ом и 2-ом законах термодинамики.

Движущей силой ДЦ является разность ОВП. Суммарная разность всей ДЦ составляет 1,1 В. Пункты фосфорилирования должны иметь перепад ОВП = 0,25 – 0,3 В.

1. Пара НАД-Н имеет ОВП = 0,32 В.

2. Пара Q-b – / – /- – 0 В.

3. O2 – имеет +0,82 В.

ДЦ локализуется во внутренней мембране митохондрий и имеет 2 пути введения электронов и протонов или 2 входа; ДЦ образует 4 комплекса.

1 вход: НАД-зависимый (поступают электроны и протоны со всех НАД-зависимых реакций).

2 вход: ФАД-зависимый

НАД —->ФП

Q —>b—>c1—>c—>aa3—->1/2O2

Янтарная кислота —->ФП

Дыхательная цепь – форма реализации биологического окисления.

Тканевое дыхание – это последовательность окислительно-восстанови-тельных реакций, протекающих во внутренней митохондриальной мембране с участием ферментов дыхательной цепи.

Дыхательная цепь имеет чёткую структурную организацию, её компоненты формируют дыхательные комплексы, порядок расположения которых зависит от величины их редокс-потенциала (рис.5.1).

Количество дыхательных цепей в отдельно взятой митохондрии из клеток разных тканей неодинаково: в печени – 5000, в сердце – около 20 000, следовательно, миокардиоциты отличаются более интенсивным дыханием, чем гепатоциты.

Рис. 5.1 Порядок расположения комплексов дыхательной цепи во внутренней мембране митохондрий

Прежде чем остановиться на характеристике каждого из компонентов дыхательной цепи, познакомимся с субстратами тканевого дыхания.

Субстраты тканевого дыхания подразделяются на 2 группы:

1. НАД-зависимые – субстраты цикла Кребса изоцитрат, α-кетоглутарат и малат. Это также пируват, гидроксибутират и β–гидрокси-ацил~КоА, глутамат и некоторые другие аминокислоты. Водород от НАД-зависимых субстратов c помощью НАД-зависимых дегидрогеназ передаётся на I-й комплекс дыхательной цепи.

2.ФАД-зависимые – сукцинат, глицерол-3-фосфат, ацил~КоА и некоторые другие. Водород от ФАД-зависимых субстратов передаётся на II-й комплекс дыхательной цепи.

При дегидрировании субстратов НАД-зависимыми дегидрогеназами образуется восстановленная форма НАД (НАДH∙H+).

Указана окисленная форма кофермента НАД+.

Этот кофермент является динуклеотидом (никотинамидадениндинуклеотид): в состав одного нуклеотида входит витамин РР (никотинамид), другой представляет собой АМФ.

Способность кофермента играть роль промежуточного переносчика водородов связана с наличием в его структуре витамина РР. В электронно-протонной форме процесс обратимого гидрирования-дегидрирования может быть представлен уравнением (R- остальная часть кофермента):

НАДH∙H+ может образовываться не только в митохондриях, но и в цитозоле клетки при протекании определённых процессов метаболизма. Однако цитоплазматический кофермент не может проникать в митохондрии. Водород восстановленного кофермента должен быть сначала перенесен на субстраты, которые могут проникать в митохондрии. Такими «Н2-переносящими субстратами» являются:

Оксалацетат → малат

Ацетоацетат → β-гидроксибутират

Дигидроксиацетон фосфат → глицерол-3-фосфат

НАДH∙H+ затем окисляется 1-м комплексом дыхательной цепи. Рассмотрим работу этого комплекса.

I комплекс цепи тканевого дыхания – НАДH∙H+-убихинон-оксидодуктаза.

Первый комплекс является самым большим в дыхательной цепи (представлен 23-30 субъединицами). Он катализирует перенос водорода от НАДH∙H+ на убихинон (рис. 5.1 и рис. 5.3). В его состав входят кофермент ФМН (флавинмононуклеотид) и железосерные белки, содержащие негеминовое железо.

Функция этих белков заключается в разделении потока протонов и электронов: электроны переносятся от ФМН∙Н2 к внутренней поверхности внутренней мембраны митохндрий (обращенной к матриксу), а протоны – к внешней поверхности внутренней мембраны и затем высвобождаются в митохондриальный метрикс.

При транспорте протонов и электронов редокс-потенциал первого комплекса снижается на 0,38 v, что вполне достаточно для синтеза АТФ. Однако в самом комплексе АТФ не образуется, а высвобождающаяся в результате работы комплекса энергия аккумулируется (см. ниже образование электро-химического потенциала) и частично рассеивается в виде тепла.

По своему строению ФМН – мононуклеотид, в котором азотистое основание представлено изоаллоксазиновым ядром рибофлавина, а пентозой является рибитол (иными словами, ФМН – это фосфорилированная форма витамина В2).

Функция ФМН заключается в акцепции 2 атомов водорода от НАДH∙H+ и передачи их железосерным белкам.

Водород (2 электрона и 2 протона) присоединяется к атомам азота изоаллоксазинового кольца, при этом происходит внутримолекулярная перегруппировка двойных связей с образованием промежуточного семихинона – соединения свободнорадикальной природы (на схеме представлено суммарное уравнение реакции, где R – остальная часть молекулы)

II комплекс цепи тканевого дыхания –сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза.

Этот комплекс имеет меньшую молекулярную массу и также содержит железосерные белки. Сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза катализирует перенос водорода от сукцината на убихинон.

В состав комплекса входит кофермент ФАД (флавин-аденин-динуклеотид) и фермент сукцинатдегидрогеназа, который является одновременно ферментом цикла Кребса.

Ацил~SКоА, 3-фосфо-глицерат и диоксиацетон фосфат также являются ФАД-зависимыми субстратами тканевого дыхания и с помощью этого кофермента контактируют со вторым комплексом.

Рис. 5.3 Первый комплекс дыхательной цепи

Энергия включения водорода субстратов во II комплекс цепи тканевого дыхания рассеивается в основном в виде тепла, так как на этом участке цепи редокс-потенциал снижается незначительно и этой энергии для синтеза АТФ мало.

Процесс восстановления ФАД протекает аналогично таковому ФМН.

Кофермент Q или убихинон – гидрофобное соединение, является компонентом клеточных мембран, содержится в большой концентрации, относится к группе витаминов. относится к группе витаминов.

Убихинон (коэнзим Q). Убихинон – небольшая липофильная молекула, по химическому строению представляющая собой бензохинон с длинной боковой цепью (число изопреноидных единиц колеблется от 6 у бактерий до 10 у млекопитающих).

В дыхательной цепи коэнзим Q является своеобразным депо (пулом) водорода, который он получает от различных флавопротеинов.

Липофильный характер молекулы убихинона обуславливает его способность свободно перемещаться в липидной фазе митохондриальной мембраны, перехватывая протоны и электроны не только от I и II комплексов дыхательной цепи, но и захватывая из митохондриального матрикса протоны. При этом убихинон восстанавливается с образованием промежуточного свободнорадикального продукта – семихинона .

Восстановленная форма убихинона – убихинол – передаёт протоны и электроны на III комплекс дыхательной цепи.

Цитохромоксидаза имеет высокую степень сродства к кислороду и может работать при его низких концентрациях.

аа3 – состоит из 6 субъединиц каждая из которых содержит гем и атом меди. 2 субъединицы составляют цитохром а, а остальные 4 относятся к цитохрому а3.

Между НАД и ФП, b-c, a-a3 имеет место max перепад ОВП. Эти пункты являются местом синтеза АТФ (местом фосфорилирования АДФ).

III комплекс цепи тканевого дыхания –убихинол-цитохром С-оксидоредуктаза. В состав III комплекса входят цитохромы b и с1, относящиеся к группе сложных белков хромопротеинов.

Простетическая группа этих белков окрашена (chroma – краска) и близка по химическому строению к гему гемоглобина.

Однако в противоположность гемоглобину и оксигемоглобину, в которых железо должно быть только в 2-х валентной форме, железо в цитохромах при работе дыхательной цепи переходит от двух- к трёхвалентному состоянию (и обратно).

Как видно из названия, III комплекс переносит электроны от убихинола на цитохром С. Вначале электроны поступают на окисленную форму цитохрома b (Fe3+), который при этом восстанавливается (Fe2+), затем восстановленный цитохром b передаёт электроны окисленной форме цитохрома с, который также восстанавливается и, в свою очередь, передаёт электроны цитохрому С.

митохондриальной мембраны от III комплекса к IV и обратно. При этом 1 молекула цитохрома С, попеременно окисляясь и восстанавливаясь, переносит 1 электрон.

IV комплекс дыхательной цепицитохром С-оксидаза. Комплекс назван оксидазой из-за способности непосредственно взаимодействовать с кислородом. У млекопитающих этот крупный (~ 200 kD) трансмембранный белок состоит из 6-13 субъединиц, из которых некоторые кодируются митохондриальной ДНК.

В состав IV комплекса входят 2 хромопротена – цитохром а и цитохром а3. В отличие от других цитохромов, цитохромы а и а3каждый содержат не только атом железа, но и атом меди.

Медь в составе этих цитохромов при транспорте электронов также попеременно переходит в окисленное (Cu2+) и восстановленное (Cu+) состояние.

Цитохром с-оксидаза катализирует одноэлектронное окисление 4-х восстановленных молекул цитохрома си при этом одновременно осуществляет полное (4-х электронное) восстановление молекулы кислорода:

4 цитохрома с(Fe2+) + 4 H+ + O2 4 цитохрома с(Fe3+) + H2O

Протоны для образования молекул воды поступают из матрикса. Следует заметить, что эта реакция весьма сложна и протекает через промежуточные стадии образования свободных радикалов кислорода.

Окислительно-восстановительный потенциал IV комплекса является самым большим (+0,57 v), его энергии вполне достаточно для синтеза 3-х молекул АТФ, однако большая часть этой энергии используется на «перекачивание» протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. В связи с активным транспортом протонов цитохром с-оксидаза получила название «протонного насоса».

Таким образом, тканевое дыхание представляет собой процесс транспорта электронов и протонов от НАД- или ФАД-зависимых субстратов на кислород, а также протонов, поставляемых матриксом митохондрий.

При транспорте падает редокс-потенциал, что сопровождается высвобождением заключённой в субстратах тканевого дыхания энергии.

Полное восстановление молекулярного кислорода воздуха в дыхательной цепи сопровождается образованием воды.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/3_159413_dihatelnaya-tsep.html

НАД-зависимые и флавиновые дегидрогеназы, убихинон-дегидрогеназа, цитохромы в, с, с1, а1 и а3 как компоненты дыхательной цепи

1.3.1. Внутренняя мембрана митохондрий: , на которой локализована дыхательная цепь, отличается, как известно,

Никотинамидзависимые дегидрогеназы содержат в качестве коферментов NAD+ или NADP+ (см. раздел 2). NAD+ и NADP+ – производные витамина PP.

Эти коферменты входят в состав активных центров дегидрогеназ, но могут обратимо диссоциировать из комплекса с апоферментами и включаются в состав фермента в ходе реакции. Субстраты NAD- и NADP-зависимых дегидрогеназ находятся в матриксе митохондрий и в цитозоле. Рабочей частью никотинамидных коферментов служит никотинамид.

Большинство дегидрогеназ, поставляющих электроны в ЦПЭ, содержат NAD+. Они катализируют реакции типа:

R-CHOH-R1 + NAD+↔ R-CO-R1 + NADH + Н+.

Таким образом, NAD+, присоединяя протоны и электроны от различных субстратов, служит главным коллектором энергии окисляемых веществ и главным источником электронов, обладающих высоким энергетическим потенциалом, для ЦПЭ.

NADPH не является непосредственным донором электронов в ЦПЭ, а используется почти исключительно в восстановительных биосинтезах .

Однако возможно включение электронов с NADPH в ЦПЭ благодаря действию пиридиннуклеотид трансгидрогеназы, катализирующей реакцию:

NADPH + NAD+ ↔ NADP+ + NADH.

Флавиновые дегидрогеназы содержат в качестве коферментов FAD или FMN. Эти коферменты образуются в организме человека из витамина В2. Флавиновые коферменты прочно связаны с апоферментами. Рабочей частью FAD и FMN служит изоаллоксазиновая сопряжённая циклическая система.

FAD служит акцептором электронов от многих субстратов в реакциях типа:

R-CH2-CH2-R1 + Е (FAD) ↔ R-CH=CH-R1 + Е (FADH2),

где Е – белковая часть фермента.

Большинство FAD-зависимых дегидрогеназ – растворимые белки, локализованные в матриксе митохондрий. Исключение составляет сукцинат-дегидрогеназа, находящаяся во внутренней мембране митохондрий. К FMN-содержащим ферментам принадлежит NADH-дегидрогеназа, которая также локализована во внутренней мембране митохондрий; она окисляет NADH, образующийся в митохондриальном матриксе.

Цепь переноса электронов от NADH и FADH2 на кислород Перенос электронов от NADH к О2 включает ряд переносчиков, которые локализованы во внутренней мембране митохондрий. За исключением убихинона и цитохрома С, это сложные белковые комплексы.

NADH-дегидрогеназа (NADH-Q-редуктаза, комплекс I) состоит из нескольких полипептидных цепей. Роль простетической группы играет FMN. Единственный субстрат фермента – NADH, с которого 2 электрона и протон переносятся на FMN с образованием FMNH2. Второй протон поглощается из матрикса. Реакция протекает по уравнению:

NADH + Н+ + Е (FMN) → NAD+ + Е (FMNH2)

С FMNH2 электроны переносятся затем на ряд железо-серных белков (FeS), играющих роль второй простетической группы в молекуле NADH-дегидрогеназы. Атомы железа в этих белках (негемовое железо) собраны в несколько групп, так называемых железо-серных центров.

FeS-центры входят в состав многих белков (флавопротеинов, цитохромов), участвующих в окислительно-восстановительных реакциях. Известны 3 типа FeS-центров (FeS, Fe2S2, Fe4S4), в которых атом железа связан с атомом серы остатков цистеина или неорганической серы.

NADH-дегидрогеназа содержит несколько центров типа Fe2S2 и Fe4S4 Атомы железа в таких центрах могут принимать и отдавать электроны поочерёдно, переходя в ферро- (Fe2+) и ферри- (Fe3+) состояния.

От железо-серных центров электроны переносятся на кофермент Q (убихинон).

Обозначение этого жирорастворимого хинона происходит от первой буквы английского названия хинона (quinone), а название убихинон отражает его широкую распространённость в природе (ubiquitous – вездесущий).

Молекулы убихинона в зависимости от источника, из которого они выделены, различаются длиной углеводородной цепи, которая у млекопитающих содержит 10 изопреноидных звеньев и обозначается как Q10. В процессе переноса электронов с NADH-дегидрогеназы через FeS на убихинон он обратимо превращается в гидрохинон.

Убихинон выполняет коллекторную функцию, присоединяя электроны от NADH-дегидрогеназы и других флавинзависимых дегидрогеназ, в частности, от сукцинат-дегидрогеназы. Убихинон участвует в реакциях типа:

Е (FMNH2) + Q → Е (FMN) + QH2.

Цитохромы или гемопротеины присутствуют во всех типах организмов. В клетках эукариотов они локализованы в митохондриальных мембранах и в ЭР. Известно около 30 различных цитохромов. Все цитохромы в качестве простетической группы содержат гем . Их многообразие обусловлено:

различием боковых цепей в структуре тема;

различием в структуре полипептидных цепей;

различием в способе связи полипептидных цепей с гемом.

В зависимости от способности поглощать свет в определённой части спектра все цитохромы делят на группы а, b, с. Внутри каждой группы отдельные виды с уникальными спектральными свойствами обозначают цифровыми индексами (b, b1, b2 и т.д.).

Структурные особенности разных видов цитохромов определяют различие в их окислительно-восстановительных потенциалах. В ЦПЭ участвуют 5 типов цитохромов (а, а3, b, с, с1). За исключением цитохрома с, все цитохромы находятся во внутренней мембране митохондрий в виде сложных белковых комплексов.

QН2-дегидрогеназа (коэнзим Q-цитохром с-ре-уктаза, комплекс III) состоит из 2 типов цитохромов (b1 и b2) и цитохрома с1. QН2-дегидрогеназа переносит электроны от убихинола на цитохром с.

Внутри комплекса III электроны передаются от цитохромов b на FeS-центры, на цитохром с1, а затем на цитохром с. Группы тема, подобно FeS-центрам, переносят только по одному электрону. Таким образом, от молекулы QH2 2 электрона переносятся на 2 молекулы цитохрома b.

В качестве промежуточного продукта в этих реакциях переноса электронов возможно образование свободного радикала се-михинона. В цитохромах типа b гем не связан ковалентно с белком, а в цитохромах с1 и с он присоединяется к белку при помощи тиоэфирных связей.

Эти связи образуются путём присоединения 2 цистеиновых остатков к винильным группам гема.

Цитохром С – периферический водорастворимый мембранный белок с молекулярной массой 12 500 Д, имеющий одну полипептидную цепь из 100 аминокислотных остатков, и молекулу гема, ковалентно связанную с полипептидом.

Цитохромоксидаза (комплекс IV) состоит из 2 цитохромов типа аа3 каждый из которых имеет центр связывания с кислородом. Цитохромы а и а3 имеют характерную железопорфириновую простетическую группу, называемую гемом А и отличающуюся от гема цитохромов с и c1.

Он содержит формильную группу вместо одной из метальных групп и углеводородную цепь вместо одной из винильных групп. Другая особенность комплекса а-а3 – наличие в нём ионов меди, связанных с белковой астью в так называемых CuA-центрах.

Перенос электронов комплексом а-а3 включает реакции:

Cu+ ↔ Cu2+ + e,
Fe2+ ↔ Fe3+ + e.

Комплекс цитохромов а-а3 непосредственно реагирует с молекулярным кислородом.

45. Строение митохондрий и структурная организация дыхательной цепи. Трансмембранный электрохимический потенциал как промежуточная форма энергии при окислительном фосфорилировании. Каждая митохондрия окружена оболочкой, состоящей из двух мембран; между ними — межмембранное пространство.

Отграниченное внутренней мембраной пространство называется матриксом. В матриксе содержатся большая часть ферментов, участвующих в цикле Кребса, протекает окисление жирных кислот, располагаются митохондриальные ДНК,РНК и рибосомы.

Внутренняя мембрана образует многочисленные гребневидные складки — кристы, существенно увеличивающие площадь ее поверхности. Наружная мембрана митохондрий имеет маленькие отверстия, образованные специальными белками, через которые могут проникать небольшие молекулы и ионы.

Внутренняя мембрана таких отверстий не имеет; на ней, на стороне, обращенной к матриксу, располагаются особые молекулы АТФ-синтазы, состоящие из головки, ножки и основания. При прохождении через них протонов происходит синтез АТФ. В основании частиц, заполняя собой всю толщу мембраны, располагаются компоненты дыхательной цепи.

Наружная и внутренняя мембраны в некоторых местах соприкасаются, там находится специальный белок-рецептор, способствующий транспорту митохондриальных белков, закодированных в ядре, в матрикс митохондрии.

Протонный градиент и электрохимический потенциалПеренос электронов по дыхательной цепи от NADH к кислороду сопровождается выкачиванием протонов из матрикса митохондрий через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. На эту работу затрачивается часть энергии электронов, переносимых по ЦПЭ.

Протоны, перенесённые из матрикса в межмембранное пространство, не могут вернуться обратно в матрикс, так как внутренняя мембрана непроницаема для протонов. Таким образом, создаётся протонный градиент, при котором концентрация протонов в межмембранном пространстве больше, а рН меньше, чем в матриксе.

Кроме того, каждый протон несёт положительный заряд, и вследствие этого появляется разность потенциалов по обе стороны мембраны: отрицательный заряд на внутренней стороне и положительный – на внешней. В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал ΔμН+ – источник энергии для синтеза АТФ.

Так как наиболее активный транспорт протонов в межмембранное пространство, необходимый для образования ΔμН+, происходит на участках ЦПЭ, соответствующих расположению комплексов I, III и IV, эти участки называют пунктами сопряжения дыхания и фосфорилирования. Механизм транспорта протонов через митохондриальную мембрану в пунктах сопряжения недостаточно ясен.

Однако установлено, что важную роль в этом процессе играет KoQ. Наиболее детально механизм переноса протонов при участии KoQ изучен на уровне комплекса III. KoQ переносит электроны от комплекса I к комплексу III и протоны из матрикса в межмембранное пространство, совершая своеобразные циклические превращения, называемые Q-циклами.

Донором электронов для комплекса III служит восстановленный убихинон (QH2), а акцептором – цитохром с. Цитохром с находится с внешней стороны внутренней мембраны митохондрий; там же располагается активный центр цитохрома с1 с которого электроны переносятся на цитохром с.

В мембране существует стационарный общий фонд Q/QH2, из которого каждая молекула QH2 в одном цикле обеспечивает перенос протонов из матрикса в межмембранное пространство и электронов, которые в конечном итоге поступают на кислород.

На работу, совершаемую при выкачивании протонов, расходуется часть свободной энергии, которая освобождается при переносе электронов по градиенту редокс-потенциала. Энергия электрохимического потенциала (∆μH+) используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы.



Источник: https://infopedia.su/15xb637.html

43. Дыхательная цепь в митохондриях

1.3.1. Внутренняя мембрана митохондрий: , на которой локализована дыхательная цепь, отличается, как известно,

Системаструктурно и функционально связанныхтрансмембранных белков и переносчиковэлектронов.

Она позволяет запастиэнергию, выделяющуюся в ходе окисленияNAD*H и ФАДН2 молекулярным кислородом вформе трансмембранного протонногопотенциала за счёт последовательногопереноса электрона по цепи,сопряжённогос перекачкой протонов через мембрану.

Транспортная цепь у эукариот локализованана внутренней мембране митохондрий. Вдыхат.цепи 4 мультиферментных комплекса.Также существует еще один комплекс,участвующий не в переносе электронов,а синтезирующий АТФ.

1ый-КоА-оксидоредуктаза.

1.Принимаетэлектроны от НАДН и передает их накоэнзим Q (убихинон). 2.Переносит 4 ионаН+ на наружную поверхность внутреннеймитохондриальной мембраны.

2ой-ФАД-зависимыедегидрогеназы.

1.ВосстановлениеФАД 3ий-цитохром с-оксидоредуктаза.

2.Принимаетэлектроны от коэнзима Q и передает ихна цитохром с.

3.Переносит2 иона Н+ на наружную поверхностьвнутренней митохондриальной мембраны.

4ый-цитохромс-кислород оксидоредуктаза.

1.Принимаетэлектроны от цитохрома с и передает ихна кислород с образованием воды.

2.Переносит4 иона Н+ на наружную поверхностьвнутренней митохондриальной мембраны.Все атомы водорода, отщепленныедегидрогеназами от субстратов в аэробныхусловиях, достигают внутренней мембранымитохондрий в составе НАДН или ФАДН2.

Электроныпо мере передвижения теряют энергию->энергиятратиться комплексами на перекачкупротонов Н.Перенос ионов Н происходитв строго определённых участках->участкахсопряжения.Результат: происходитнаработка АТФ: ионы H+ теряют свою энергию,проходя через АТФ-синтазу.Часть этойэнергии тратится на синтез АТФ. Другаячасть рассеивается в виде тепла.

Дыхательнаяцепь митохондрий состоит из 5мультифер-ментных комплексов, субъединицыкоторых кодируются как ядерными, так имитохондриальными генами. В переноскеэлектронов участвуют коэнзим Q10 ицитохром с.

Электроны поступают отмолекул NAD*H и FAD'H и переносятся подыхательной цепи.

Высвобождаемая энергияиспользуется для транспорта протоновк внешней мембране митохондрий, авозникающий электрохимический градиент— для синтеза АТФ с помощью комплексаV дыхательной цепи митохондрий

44. Последовательность и строение переносчиков электронов в дыхательной цепи

1комплекс. НАДН-КоQ-оксидоредуктаза

Этоткомплекс также имеет рабочее названиеНАДН-дегидрогеназа, содержит ФМН(флавинмононуклеотид), 22 белковыхмолекулы, из них 5 железосерных белковс общей молекулярной массой до 900 кДа.

-Принимает электроны от НАДН и передаетих на коэнзим Q (убихинон).

-Переносит 4 иона Н+ на наружную поверхностьвнутренней митохондриальной мембраны.

2комплекс. ФАД-зависимые дегидрогеназы

Онвключает в себя ФАД-зависимые ферменты,расположенные на внутренней мембране– например, ацил-SКоА-дегидрогеназа(окисление жирных кислот), сукцинатдегидрогеназа(цикл трикарбоновых кислот), митохондриальнаяглицерол-3-фосфат-дегидрогеназа (челночныймеханизм переноса НАДН в митохондрию).

-Восстановление ФАД в окислительно-восстановительныхреакциях.

-Обеспечение передачи электронов отФАДН2 на железосерные белки внутреннеймембраны митохондрий. Далее эти электроныпопадают на коэнзим Q.

46.Биохимические механизмы разобщенияокисления и фосфорилирования факторыих вызывающие Разобщение дыхания и фосфорилирования

Некоторыехимические вещества (протонофоры) могутпереносить протоны или другие ионы(ионофоры) из межмембранного пространствачерез мембрану в матрикс, минуя протонныеканалы АТФ-синтазы. В результате этогоисчезает электрохимический потенциали прекращается синтез АТФ.

Это явлениеназывают разобщением дыхания ифосфорилирования. В результате разобщенияколичество АТФ снижается, а АДФувеличивается.

В этом случае скоростьокисления NADH и FADH2возрастает, возрастаети количество поглощённого кислорода,но энергия выделяется в виде теплоты,и коэффициент Р/О резко снижается. Какправило, разобщители – липофильныевещества, легко проходящие через липидныйслой мембраны.

Одно из таких веществ -2,4-динитрофенол (рис. 6-17), легко переходящийиз ионизированной формы в неионизированную,присоединяя протон в межмембранномпространстве и перенося его в матрикс.

Примерамиразобщителей могут быть также некоторыелекарства, например дикумарол -антикоагулянт (см. раздел 14) или метаболиты,которые образуются в организме, билирубин- продукт катаболизма тема (см. раздел13), тироксин – гормон щитовидной железы(см. раздел 11). Все эти вещества проявляютразобщающее действие только при ихвысокой концентрации.

Выключениефосфорилирования по исчерпании АДФлибо неорганического фосфата сопровождаетсяторможением дыхания (эффект дыхательногоконтроля). Большое число повреждающихмитохондриальную мембрану воздействийнарушает сопряжение между окислениеми фосфорилированием, разрешая идтипереносу электронов и в отсутствиесинтеза АТФ (эффект разобщения)

1.Суммарный выход:

Длясинтеза 1 молекулы АТФ необходимо 3протона.

2.Ингибиторы окислительного фосфорилирования:

Ингибиторыблокируют V комплекс:

Олигомицин —блокируют протонные каналы АТФ-синтазы.

Атрактилозид,циклофиллин — блокируют транслоказы.

3.Разобщители окислительного фосфорилирования:

Разобщители —липофильные вещества, которые способныпринимать протоны и переносить их черезвнутреннюю мембрану митохондрий минуяV комплекс(его протонный канал).Разобщители:

Естественные —продукты перекисного окислениялипидов, жирных кислот с длиннойцепью; большие дозы тиреоидныхгормонов.

Искусственные — динитрофенол,эфир, производные витамина К,анестетики.

Источник: https://studfile.net/preview/6659644/page:2/

Расшифрована структура комплекса I дыхательной цепи митохондрий быка • Новости науки

1.3.1. Внутренняя мембрана митохондрий: , на которой локализована дыхательная цепь, отличается, как известно,

Группа ученых из Великобритании и Китая методом крио-электронной микроскопии расшифровала структуру комплекса I (NADH-дегидрогеназный комплекс) электрон-транспортной цепи митохондрий быка Bos taurus.

Работа, опубликованная в журнале Nature, развивает результаты той же группы, полученные в 2014 году, когда ученым удалось в общих чертах разобраться, как устроена структура этого комплекса.

Теперь они получили новые данные о функционировании и сборке NADH-дегидрогеназы, с помощью которых уже можно судить о роли мутаций в развитии связанных с ней наследственных заболеваний.

На клеточном уровне дыхание — это сложная последовательность окислительно-восстановительных реакций, в результате которой клетка запасает энергию в виде молекул АТФ (их еще называют универсальной энергетической валютой клеток).

Этот процесс обеспечивается дыхательной цепью переноса электронов — системой из нескольких белковых комплексов, которые располагаются в клеточной мембране (схематично они изображены на рис.

 1; также работа цепи показана на этой анимации).

Первый в этой цепи — NADH-дегидрогеназный комплекс (его так и называют — комплекс I). У эукариот он функционирует в митохондриях, но также встречается и у способных к дыханию прокариот. Этот комплекс осуществляет реакцию окисления NADH, при этом происходит перенос четырех протонов из матрикса митохондрии или цитоплазмы прокариот наружу:

\[ \mathrm{NADH} + \mathrm{H}+ + \mathrm{Q} + 4\mathrm{H}+_{\mathrm{in}} \rightarrow \mathrm{NAD}+ +\mathrm{QH}_2 + 4\mathrm{H}+_{\mathrm{out}}. \]

В ходе этой окислительно-восстановительной реакции, катализируемой NADH-дегидрогеназным комплексом, NADH окисляется до NAD+, что сопряжено с восстановлением убихинона (Q) до убихинола (QH2). Энергия реакции используется для транспорта протонов из матрикса митохондрий (H+in) наружу (H+out) — и именно шаг транспорта протонов вызывает у ученых больше всего вопросов.

Дальнейшая работа дыхательной цепи устроена так. Восстановленный до убихинола убихинон транспортируется к следующему участку — цитохром-bc1-комплексу, где окисляется и передает свои электроны цитохрому с.

Восстановленный цитохром с, в свою очередь, окисляется очередным участком цепи — цитохром с-оксидазой.

В случае кислородного дыхания, этот последний комплекс завершает путешествие электронов по дыхательной цепи, восстанавливая ими кислород до воды.

Целью всей этой эстафеты по передаче электронов от NADH кислороду является аккуратное расходование энергии, запасенной в реакции их прямого взаимодействия.

На каждом ферментативном комплексе дыхательной цепи энергия, выделяющаяся в ходе окислительно-восстановительных реакций (передача электронов), идет на транспорт протонов из матрикса митохондрий (цитоплазмы прокариот) наружу.

Этот процесс помогает формировать трансмембранный протонный потенциал, который используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ. На долю NADH-дегидрогеназного комплекса приходится порядка 40% работы по созданию трансмембранного потенциала.

В последние несколько лет разными группами ученых уже были изучены структуры комплекса I из бактерии Thermus thermophilus, дрожжевого гриба Yarrowia lipolytica и быка (рис. 2).

Исследования бычьего варианта комплекса I важно, поскольку он близок к гомологичному ферменту человека.

Но в 2014 году ученым (авторам и обсуждаемой работы) не удалось полностью расшифровать структуру — были получены данные только для 28 субъединиц из 45.

Такой интерес к NADH-дегидрогеназному комплексу вызван загадками в механизме его функционирования, а также клинической значимостью ассоциированных с ним заболеваний.

С нарушениями в функционировании первого дыхательного комплекса связаны некоторые митохондриальные заболевания: например, синдром Лея и оптическая нейропатия Лебера. Кроме того, по последним исследованиям, существует связь между дефектами NADH-дегидрогеназы и развитием болезни Паркинсона.

Поэтому детальное изучение фермента может позволить глубже разобраться в причинах заболеваний и подсказать пути к их лечению.

Сейчас ученые получили полную структуру комплекса I — удалось расшифровать все 45 субъединиц, входящих в его состав. Теперь понятно, что 14 субъединиц образуют консервативное ядро, сохраняющееся в структурах гомологичного фермента бактерий и грибов, а 31 субъединица специфична для млекопитающих.

Комплекс имеет характерную L-образную форму — вертикально расположенная часть комплекса содержит сайты связывания NADH и убихинона и выдается в матрикс митохондрии. Горизонтальная часть заякорена во внутренней мембране митохондрии и является протонной помпой — именно она переносит протоны из матрикса в межмембранное пространство.

Сайт связывания NADH расположен в дистальном отделе матриксной части комплекса. Ближе к мембранной части локализуется сайт связывания убихинона.

Два этих сайта соединены цепочкой из специальных кофакторов — железосерных кластеров (рис. 3), способных менять степень окисления. По этой цепочке происходит передача электронов между NADH и убихиноном.

Предполагается, что перераспределение отрицательных зарядов, возникающее при восстановлении убихинона, вызывает небольшие изменения в структуре комплекса (конформационные перестройки), которые передаются в его мембранную часть.

Это, по всей видимости, приводит к поляризации местных заряженных аминокислотных остатков, которые формируют для протонов трансмембранные каналы, что и обеспечивает перенос частиц.

Косвенные данные в пользу гипотезы присутствуют в описываемой работе — исследователям удалось получить несколько «подструктур», которые можно трактовать как активное и неактивное состояния комплекса. Это стало возможным благодаря используемому ими методу крио-электронной микроскопии (см. Cryo-electron microscopy).

Суть метода заключается в том, чтобы сфотографировать в электронный микроскоп интересующую нас молекулу с разных ракурсов, а потом реконструировать ее пространственную структуру. Но одной молекулы для такой операции недостаточно.

Вместо этого на специальную ячеистую подложку наносят раствор молекул, а затем мгновенно замораживают его в жидком этане. Получается, что часть частиц застыла «в профиль», часть — «в анфас», а некоторые — «в 3/4».

Фотографируя подложку в электронном микроскопе, мы получаем многие десятки или даже сотни тысяч изображений молекулы с разных сторон.

Последующая компьютерная классификация изображений («в профиль» отдельно, «в анфас» отдельно) и их выравнивание позволяет значительно снизить уровень шума и достичь атомарного разрешения, после чего проводится сборка пространственной структуры молекулы.

На момент замораживания интересующая нас молекула может находиться в разных конформационных состояниях (если это фермент, то на разных стадиях каталитического цикла, например) и все они будут мгновенно зафиксированы.

При автоматическом анализе изображений возможно отличать такие состояния и реконструировать не одну конформацию, как в случае рентгеноструктурного анализа, а несколько, что может пролить свет на детали функционирования комплекса.

Как заключают авторы статьи, именно этот подход (изучение конформационных изменений посредством крио-электронной микроскопии) является наиболее перспективным для дальнейшего изучения комплекса I дыхательной цепи и проверки существующих гипотез о роли промежуточных продуктов восстановления убихинона в механизме функционирования фермента.

Источник: Jiapeng Zhu, Kutti R. Vinothkumar & Judy Hirst. Structure of mammalian respiratory complex I // Nature. 2016. V. 536. P. 80–84.

Дмитрий Сутормин

Источник: https://elementy.ru/novosti_nauki/432820/Rasshifrovana_struktura_kompleksa_I_dykhatelnoy_tsepi_mitokhondriy_byka

Medic-studio
Добавить комментарий